FR3044466A1

FR3044466A1 - Capteur d'images muni d'un dispositif de tri spectral

Info

Publication number: FR3044466A1
Application number: FR1561660A
Authority: FR
Inventors: Salim Boutami; Cedric Durantin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-02

Abstract

L'invention concerne un capteur comportant une matrice de cellules photosensibles comprenant au moins des premières (B) et deuxièmes (R) cellules régulièrement réparties sur la surface du capteur, dans lequel : chaque première cellule (B) est surmontée d'un premier ensemble (105B) de plots transparents (107B) de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule ; et chaque deuxième cellule (R) : a) est surmontée d'un deuxième ensemble (105R) de plots transparents (107R) de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule, les deuxièmes ensembles (105R) différant des premiers ensembles (105B) par les formes et/ou les dimensions de leurs plots ; ou b) n'est surmontée d'aucun plot, et dans lequel, dans chaque ensemble (105B, 105R) de plots (107B, 107R), l'espace entre les plots (107B, 107R) présente un contraste d'indice de réfraction supérieur à 0,5 avec les plots.

Description

CAPTEUR D'IMAGES MUNI D'UN DISPOSITIF DE TRI SPECTRAL

Domaine

La présente demande concerne le domaine des capteurs photosensibles adaptés à mesurer des intensités lumineuses reçues dans plusieurs gammes de longueurs d'onde déterminées, par exemple des capteurs d'images couleur.

Exposé de l'art antérieur

Classiquement, un capteur d'images couleur comprend une pluralité de cellules photosensibles élémentaires (ou pixels) identiques ou similaires, formées dans et sur un substrat semiconducteur et disposées selon des lignes et des colonnes. Chaque cellule photosensible est revêtue d'un filtre couleur, par exemple une couche de résine colorée, ne transmettant à la cellule que la lumière d'une bande de longueurs d'onde spécifique, et réfléchissant ou absorbant la lumière hors de cette bande. L'ensemble des filtres couleur fome une mosaïque de filtrage disposée au-dessus de la matrice de cellules photosensibles. A titre d'exemple, un capteur d'images couleur peut comprendre des filtres rouge, vert et bleu, disposés selon un motif de Bayer au-dessus des cellules photosensibles.

Un inconvénient des capteurs d'images couleur classiques réside dans leur faible rendement de conversion photoélectrique, lié au fait que chaque filtre couleur réfléchit ou absorbe la lumière hors de sa bande de transmission. A titre d'exemple illustratif, si on considère une portion d'un capteur photosensible correspondant, vu de dessus, à un motif élémentaire de Bayer, c'est-à-dire comportant quatre pixels adjacents revêtus respectivement par un filtre rouge, un premier filtre vert, un filtre bleu, et un deuxième filtre vert, le pixel rouge reçoit au maximum un quart de la lumière rouge reçue sur l'ensemble de la surface de collecte de la portion, le pixel bleu reçoit au maximum un quart de la lumière bleue reçue sur l'ensemble de la surface de collecte de la portion, et les pixels verts reçoivent à eux deux au maximum la moitié de la lumière verte reçue sur 1 ' ensemble de la surface de collecte de la portion.

Ceci pose notamment problème lorsque l'on cherche à réaliser des capteurs comportant des pixels de petites dimensions, par exemple en vue d'augmenter la résolution du capteur et/ou de réduire son encombrement. La faible surface de collecte de photons disponible pour chaque couleur se traduit alors par une faible sensibilité et un faible rapport signal sur bruit du capteur.

Le brevet EP2132556 décrit un dispositif de tri spectral permettant de séparer, par gammes de longueurs d'onde, des photons reçus sur une surface de collecte, et de transmettre ces photons à des cellules photosensibles distinctes. Dans ce dispositif, la surface de collecte est une surface métallique structurée à l'échelle nanométrique, sur laquelle la lumière incidente est convertie en plasmons. Les motifs de la surface métallique de collecte sont choisis de façon à provoquer une focalisation des plasmons dans des zones distinctes de la surface de collecte, selon la longueur d'onde. Une fois le tri effectué, les plasmons sont à nouveau convertis en photons, illuminant les différentes cellules photosensibles. Chaque cellule photosensible reçoit ainsi des photons d'une gamme de longueurs d'ondes spécifique, collectés sur une surface de collecte supérieure à la surface de la cellule.

Un inconvénient de ce dispositif réside dans sa complexité de réalisation, et dans les pertes relativement élevées résultant de la conversion photon-plasmon-photon par la structure métallique du dispositif.

Les demandes de brevet US2007045685 et US2007298533 décrivent des capteurs d'images couleur dans lesquels des réseaux de diffraction formés dans une couche diélectrique disposée au-dessus des pixels du capteur, sont utilisés pour trier les composantes spectrales de la lumière incidente. Chaque réseau diffracte à l'ordre 0 la lumière d'une certaine bande de longueurs d'ondes, de façon à transmettre cette lumière à un pixel situé sensiblement sous le réseau, et diffracte à des ordres plus élevés la lumière hors de cette bande de longueurs d'ondes, de façon à rediriger cette lumière vers des pixels voisins. Les réseaux de diffraction sont dimensionnés selon les lois usuelles de la diffraction en champ lointain. Pour obtenir la séparation souhaitée des différentes composantes spectrales, les réseaux doivent être disposés à une distance relativement grande des cellules photosensibles, typiquement à plusieurs micromètres de la surface supérieure des cellules photosensibles. Il en résulte des risques de diaphotie (ou crosstalk) relativement élevés. Un autre inconvénient est lié au fait que les réseaux surmontant les pixels du capteur sont constitués d'alternances de bandes diélectriques parallèles d'indices de réfraction distincts, toutes orientées sensiblement dans la même direction. En conséquence, la réponse des capteurs est fortement dépendante de la polarisation de la lumière incidente. Une autre limitation de cette solution est qu'elle est mal adaptée à des pixels de petites dimensions. En effet, en pratique, pour obtenir une bonne diffraction et réaliser le tri spectral désiré, il convient que chaque pixel soit surmonté par un nombre relativement important de périodes du réseau, ce qui implique que les pixels doivent avoir des dimensions relativement importantes.

Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un capteur photosensible adapté à mesurer des intensités lumineuses reçues dans plusieurs gammes de longueurs d'onde distinctes, ce capteur palliant tout ou partie des inconvénients des capteurs existants. Résumé

Ainsi, un mode de réalisation prévoit un capteur d'images comportant une matrice de cellules photosensibles, la matrice comprenant au moins des premières et deuxièmes cellules régulièrement réparties sur la surface du capteur, dans lequel : chaque première cellule est sumontée d'un premier ensemble de plots transparents de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule ; et chaque deuxième cellule : est surmontée d'un deuxième ensemble de plots transparents de fomes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule, les deuxièmes ensembles différant des premiers ensembles par les formes et/ou les dimensions de leurs plots ; ou n'est surmontée d'aucun plot, et dans lequel, dans chaque ensemble de plots, l'espace entre les plots est rempli d'un matériau transparent présentant un contraste d'indice de réfraction supérieur à 0,5 avec le matériau des plots.

Selon un mode de réalisation, chaque première cellule est sumontée d'un premier élément de couplage d'épaisseur inférieure à 2,5 fois la plus grande longueur d'onde que le capteur est destiné à détecter, s'étendant depuis la face supérieure de la cellule jusqu'à la face inférieure du premier ensemble de plots.

Selon un mode de réalisation, chaque deuxième cellule est surmontée d'un deuxième élément de couplage d'épaisseur inférieure à 2,5 fois la plus grande longueur d'onde que le capteur est destiné à détecter, s'étendant depuis la face supérieure de la cellule jusqu'à la face inférieure du deuxième ensemble de plots.

Selon un mode de réalisation, chaque élément de couplage est constitué d'un empilement d'une ou plusieurs couches, les premiers éléments de couplage différant des deuxièmes éléments de couplage par l'indice de réfraction d'au moins une de leurs couches.

Selon un mode de réalisation, l'agencement des pixels et des plots est tel que le capteur est invariant par rotation de 90° de façon à être insensible à la polarisation de la lumière.

Selon un mode de réalisation, la période du capteur est inférieure à 5 fois la plus grande longueur d'onde que le capteur est destiné à détecter.

Selon un mode de réalisation, les plots du premier ensemble sont dimensionnés pour définir une structure résonante pour une première gamme de longueurs d'ondes destinée à être détectée par les premières cellules, et les plots du deuxième ensemble sont dimensionnés pour définir une structure résonante pour une deuxième gamme de longueurs d'ondes destinée à être détectée par les deuxièmes cellules.

Selon un mode de réalisation, chaque ensemble de plots comprend : un plot situé à l'aplomb du centre de la cellule sous-jacente ; et un plot situé à l'aplomb de chacune des intersections de la périphérie de la cellule sous-jacente avec un axe de symétrie local de la matrice.

Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre au moins des troisièmes cellules réparties sur la surface du capteur, dans lequel chaque troisième cellule : est surmontée d'un troisième ensemble de plots transparents de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule, les troisièmes ensembles différant des premiers et deuxièmes ensembles par les formes et/ou les dimensions de leurs plots ; ou n'est surmontée d'aucun plot.

Selon un mode de réalisation, chaque cellule non sumontée par un ensemble de plots est surmontée par un filtre couleur.

Selon un mode de réalisation, le filtre couleur est une couche de résine colorée.

Brève description des dessins

Ces 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 est une vue de dessus schématique représentant l'agencement des pixels dans un capteur d'images selon un exemple d'un mode de réalisation ; les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe partielle et une vue de dessus partielle illustrant plus en détail un exemple de réalisation du capteur de la figure 1 ; les figures 4 et 5 sont des vues de dessus partielles illustrant des variantes de réalisation du capteur de la figure 1 ; la figure 6 est un diagramme illustrant le comportement du capteur de la figure 1 ; la figure 7 est un diagramme illustrant le comportement d'une variante de réalisation du capteur de la figure 1 ; la figure 8 est une vue de dessus schématique représentant l'agencement des pixels dans un capteur d'images selon un autre exemple d'un mode de réalisation ; et la figure 9 est une vue de dessus partielle illustrant plus en détail un exemple de réalisation du capteur de la figure 8. Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les cellules photosensibles élémentaires ou pixels des capteurs d'images décrits ne sont pas détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des structures connues de cellules photosensibles formées dans et sur un substrat semiconducteur. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures, étant entendu que, dans la pratique, les capteurs décrits peuvent être orientés différemment. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

La figure 1 est une vue de dessus simplifiée illustrant un exemple d'un mode de réalisation d'un capteur d'images adapté à mesurer des intensités lumineuses reçues dans deux gammes de longueurs d'ondes distinctes, une gamme proche du bleu et une gamme proche du rouge dans l'exemple considéré.

Le capteur de la figure 1 comprend une pluralité de cellules photosensibles (ou pixels), par exemple identiques ou similaires, disposées en matrice selon des lignes et des colonnes. Parmi ces cellules, des premières cellules, désignées par la référence B, sont destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme bleue, et des deuxièmes cellules, désignées par la référence R, sont destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme rouge. Les pixels bleus, respectivement les pixels rouges, sont régulièrement répartis sur la surface du capteur. Dans l'exemple représenté, les pixels bleus et les pixels rouges sont disposés en alternance selon les lignes et les colonnes du capteur, c'est-à-dire que chaque ligne du capteur est constituée d'une alternance de pixels bleus et rouges, et que chaque colonne du capteur est constituée d'une alternance de pixels bleus et rouges. Ainsi, exception faite des pixels périphériques du capteur, chaque pixel bleu est bordé par deux pixels rouges dans la direction de la ligne à laquelle il appartient, et par deux autres pixels rouges dans la direction de la colonne à laquelle il appartient. De même, chaque pixel rouge est bordé par deux pixels bleus dans la direction de la ligne à laquelle il appartient, et par deux autres pixels bleus dans la direction de la colonne à laquelle il appartient.

Les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe partielle et une vue de dessus partielle représentant plus en détail un exemple de réalisation du capteur d'images de la figure 1. Plus particulièrement, la figure 2 représente deux pixels adjacents B et R d'une même ligne ou d'une même colonne du capteur de la figure 1, vus en coupe selon l'axe longitudinal central de la ligne ou de la colonne considérée. La figure 3 représente un sous-ensemble de quatre pixels adjacents du capteur de la figure 1 (deux pixels bleus B et deux pixels rouge R) , correspondant à l'intersection de deux lignes adjacentes et de deux colonnes adjacentes du capteur.

Les cellules photosensibles élémentaires B et R sont fomées dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple un substrat en silicium, un substrat en silicium-germanium, un substrat de type silicium sur isolant (SOI) , ou tout autre substrat adapté à la réalisation de composants de conversion photoélectrique à base d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs . Chaque pixel comprend au moins un photodétecteur à semiconducteur, par exemple une photodiode, et peut en outre comprendre un ou plusieurs transistors de contrôle, par exemple des transistors MOS. Bien que non représentés sur les figures, des murs d'isolement s'étendant verticalement dans le substrat 101 peuvent séparer des pixels adjacents du capteur.

Chaque pixel bleu B est surmonté d'un ensemble 105B de plots 107B en un matériau diélectrique transparent de haut indice de réfraction, c'est-à-dire d'indice supérieur à 1,5 et de préférence supérieur à 2. De plus, chaque pixel rouge R est surmonté d'un ensemble 105R de plots 107R en un matériau diélectrique transparent de haut indice de réfraction. Dans cet exemple, les plots 107B et 107R sont réalisés en un même matériau d'indice de réfraction np, et présentent la même épaisseur ou hauteur hp. La hauteur hp des plots 107B, 107R est par exemple comprise entre 0,1 et 0,5 pm. Les plots 107R, 107B ont, en vue de dessus, des dimensions inférieures à la longueur d'onde centrale λ de la bande de longueurs d'ondes que le pixel est destiné à mesurer, par exemple inférieures à la moitié et de préférence inférieures au quart de cette longueur d'onde. L'espace entre les plots des ensembles 105B, 105R est rempli d'un matériau transparent de bas indice de réfraction, c'est-à-dire d'indice nj-, inférieur ou égal à np-0,5 et de préférence inférieur ou égal à np-1, par exemple de l'air, ou tout autre matériau de remplissage adapté, par exemple un matériau solide. A titre d'exemple, les plots 107B, 107R sont en dioxyde de titane d'indice np de l'ordre de 2,5, et l'espace entre les plots 107B et 107R est rempli d'air d'indice nj-, de l'ordre de 1. Dans cet exemple, les ensembles 105B de plots surmontant les différents pixels bleus B du capteur sont tous sensiblement identiques, et les ensembles 105R de plots surmontant les différents pixels rouges R du capteur sont tous sensiblement identiques. Dans chaque ensemble élémentaire 105B de plots disposé en regard d'un pixel bleu B du capteur, on trouve des plots 107B de formes et/ou de dimensions différentes (en vue de dessus) . De même, dans chaque ensemble élémentaire 105R de plots disposés en regard d'un pixel rouge R du capteur, on trouve des plots 107R de formes et/ou de dimensions différentes (en vue de dessus). Les ensembles élémentaires de plots 105B diffèrent des ensembles élémentaires de plots 105R par les formes et/ou les dimensions de leurs plots. En particulier, pour un même positionnement de plot en regard d'un pixel sous-jacent, un plot 107B d'un ensemble 105B n'a pas la même forme qu'un plot 107R d'un ensemble 105R.

Dans l'exemple représenté, les pixels du capteur sont sensiblement carrés, c'est-à-dire qu'ils présentent, en vue de dessus, une forme générale rectangulaire dont la longueur est sensiblement égale à la largeur. De préférence, chaque ensemble de plots élémentaire 105B, respectivement 105R, comprend des plots disposés à l'aplomb de la périphérie du pixel B, respectivement R, qu'il surmonte, et un plot disposé à l'aplomb du centre du pixel B, respectivement, R qu'il surmonte. En vue de dessus ou en projection verticale sur la surface supérieure du pixel, chacun des plots des ensembles 105B, 105R reste contenu à l'intérieur du pixel qu'il surmonte, c'est-à-dire qu'il ne s'étend pas au-delà des bords extérieurs du pixel. Par les termes "à l'aplomb de la périphérie du pixel", on entend ici que, en vue de dessus ou en projection verticale sur la surface supérieure du pixel, le plot a un bord adjacent à un bord extérieur du pixel, tout en restant contenu à l'intérieur du pixel.

Plus particulièrement, chaque ensemble de plots élémentaire 105B, respectivement 105R, comprend de préférence au moins : un plot à l'aplomb du centre du pixel qu'il surmonte ; et un plot à l'aplomb de chacune des intersections de la périphérie du pixel avec un axe de symétrie local de la matrice de pixels.

Par axe de symétrie local, on entend ici un axe de symétrie du pixel qui serait également un axe de symétrie de la matrice de pixels si celle-ci avait des dimensions infinies. Dans cet exemple, comme cela est représenté sur la figure 1, chaque pixel bleu B comporte quatre axes de symétrie locaux correspondant respectivement aux deux diagonales du pixel, et aux deux axes orthogonaux passant par le centre du pixel et par les milieux des côtés du pixel.

Ainsi, dans le cas de pixels carrés, comme l'illustre la figure 3, chaque ensemble de plots élémentaire 105B, respectivement 105R, comprend au moins neuf plots 107B, respectivement 107R disposés comme suit : un plot à 1'aplomb du centre du pixel ; un plot à 1 ' aplomb de chacun des quatre coins du pixel ; et un plot à l'aplomb du milieu de chacun des quatre bords du pixel.

De préférence, en vue de dessus, chaque plot est symétrique par rapport à 1 ' axe de symétrie local ou aux axes de symétrie locaux qui le traversent. Dans l'exemple de la figure 3, dans chaque ensemble de plots élémentaire 105B, respectivement 105R, le plot central est sensiblement carré, les plots des coins sont sensiblement carrés, et les plots situés aux centres des bords du pixel sont rectangulaires non carrés.

On notera que les exemples décrits ci-dessus d'agencement des pixels B, R et des plots 107B, 107R ont pour avantage que le capteur est invariant par rotation d'un angle de 90° par rapport à son centre. Il en résulte que le comportement du capteur est indépendant de la polarisation de la lumière qu'il reçoit.

Plus généralement, d'autres formes de pixels, et d'autres formes et/ou agencements de plots, respectant les symétries et l'invariance par rotation susmentionnées, peuvent être prévus. A titre d'exemple, les pixels peuvent avoir une forme circulaire. En outre, les plots peuvent avoir des formes triangulaires ou trapézoïdales, ou des formes arrondies. Des exemples sont notamment illustrés par les figures 4 et 5. De plus, les ensembles élémentaires 105B, 105R peuvent comporter des plots supplémentaires par rapport à ce qui a été décrit ci-dessus, dans la mesure où ces plots respectent les symétries et l'invariance par rotation susmentionnées.

Le phénomène physique permettant d'expliquer le comportement du capteur et notamment son aptitude à réaliser un tri spectral de la lumière qu'il reçoit est le suivant. Un photon incident atteignant le capteur présente une incertitude de position de l'ordre de sa longueur d'onde λ. Toutefois, si une nano-structuration dimensionnée pour résonner à la longueur d'onde λ se trouve dans la zone de dimension λ dans laquelle le photon est susceptible d'atteindre le capteur, le photon aura une probabilité plus élevée de passer par la structuration résonante que par une autre partie du capteur. Dans l'exemple ci-dessus, chacun des plots 107B disposé au-dessus d'un pixel bleu B est dimensionné pour définir une structure résonante dans la gamme bleue, et chacun des plots 107R disposé au-dessus d'un pixel rouge R est dimensionné pour définir une structure résonante dans la gamme rouge. Chacun des plots 107B disposé à la périphérie d'un pixel bleu B attire ainsi des photons bleus qui, en l'absence du plot, atteindraient le ou les pixels rouges adjacents. De même, chacun des plots 107R disposé à la périphérie d'un pixel rouge R attire vers le pixel rouge des photons rouges qui, en l'absence du plot, atteindraient le ou les pixels bleus adjacents. On notera que dans l'exemple de la figure 3, dans chaque ensemble élémentaire de plots 105B, respectivement 105R, le plot central de l'ensemble n'est en contact avec aucun autre plot, les plots situés au-dessus du milieu des bords du pixel sont chacun en contact avec un plot unique d'un pixel adjacent, et les plots situés au-dessus des coins du pixel sont chacun en contact avec des plots de trois pixels adjacents. Cette différence d'environnement explique que des plots 107B, respectivement 107R du même ensemble 105B, respectivement 105R, n'aient pas la même forme, bien qu'ils soient dimensionnés pour résonner à une même longueur d'onde.

On comprendra de ce qui précède que pour que la contribution de la lumière bleue (respectivement rouge) prélevée par les plots 107B (respectivement 107R) d'un pixel sur des pixels rouges (respectivement bleu) voisins soit significative devant la quantité totale de lumière bleue reçue par le pixel, il convient que les dimensions des pixels du capteur soient petites. Ainsi, le capteur est de préférence tel que la période de la matrice de pixels, c'est-à-dire la plus petite distance centre à centre entre deux pixels de même couleur, soit inférieure à 5Àmax, Àmax désignant la plus grande longueur d'onde que l'on cherche à détecter sur le capteur.

On remarquera par ailleurs que lorsque les dimensions d'un pixel sont supérieures à deux fois la longueur d'onde centrale λ de la bande de longueurs d'onde que le pixel est destiné à mesurer, la section efficace de collecte de photons associée au plot central 107B, 107R du pixel, dont les dimensions sont de l'ordre de λ, peut ne pas s'étendre jusqu'aux pixels voisins. Dans ce cas, le plot central du pixel n'aura pas pour rôle de collecter de la lumière bleue, respectivement rouge, au-dessus des pixels rouges, respectivement bleus, voisins. La présence du plot central reste toutefois bénéfique même dans une telle configuration. En effet, outre leur fonction de collecte de la lumière d'une bande de longueurs d'ondes spécifique au-dessus de pixels voisins, les plots 107B, 107R ont aussi une fonction de filtrage, c'est-à-dire qu'ils détournent vers des pixels voisins de la lumière située en dehors de leur bande de longueurs d'ondes de résonance. Ainsi, les plots centraux jouent un rôle important dans les performances de séparation spectrale du capteur, même lorsque les dimensions des pixels sont supérieures à 2λ.

Outre les éléments susmentionnés, le capteur d'images comprend, au-dessus de chaque pixel bleu B, respectivement rouge R, un élément de couplage 103B, respectivement 103R, faisant interface entre le pixel et l'ensemble de plots 105B, respectivement 105R, surmontant le pixel. A titre d'exemple, les éléments de couplage 103B surmontant les différents pixels bleus B du capteur sont tous sensiblement identiques, et les éléments de couplage 103R surmontant les différents pixels rouges R du capteur sont tous sensiblement identiques. Chaque élément de couplage 103B, respectivement 103R, est constitué d'un empilement vertical d'une ou plusieurs couches diélectriques d'indices optiques homogènes, cet empilement étant en contact par sa face inférieure avec la face supérieure du pixel bleu ou rouge sous-jacent, et par sa face supérieure avec la face inférieure des plots 107B ou 107R surmontant le pixel. Par couche d'indice optique homogène, on entend ici que chaque couche de l'élément de couplage 103B ou 103R est soit : a) une couche continue en un matériau d'indice nj_ ; b) une couche discontinue constituée d'un ensemble de plots identiques d'un premier matériau régulièrement répartis sur toute la surface du pixel et séparés par un deuxième matériau, les indices des deux matériaux et le taux de remplissage de la surface du pixel par les plots étant choisis de façon que la lumière incidente voie un indice effectif moyen égal à l'indice nj_ désiré.

La configuration b), bien que plus complexe à réaliser, présente l'avantage de permettre d'accéder à des indices optiques n-j_ plus variés qu'en utilisant une couche continue d'un matériau unique. Pour que la lumière incidente voie un indice effectif moyen n-j_, il convient que la période de structuration des couches de l'ensemble 103B, 103R, c'est-à-dire le pas des plots du premier matériau, soit inférieure à la moitié de la longueur d'onde maximale que l'on cherche à détecter sur le pixel. On veillera en outre de préférence à ce que l'agencement des plots au-dessus des pixels soit invariant par rotation de 90°, de façon à conserver une bonne indépendance à la polarisation de la lumière.

Alternativement, pour obtenir une couche continue d'indice nj_, on peut procéder à un dépôt par évaporation de deux matériaux d'indices distincts, les proportions des deux matériaux étant choisis de façon à obtenir l'indice recherché. Là encore, cette méthode permet d'accéder à des indices optiques nj_ plus variés qu'en utilisant une couche d'un matériau unique.

Les couches des éléments de couplage 103B, 103R peuvent être transparentes, c'est-à-dire présenter un coefficient de transmission élevé, par exemple supérieur à 70 %, pour toutes les longueurs d'ondes de travail du capteur, par exemple pour toutes les longueurs d'ondes visibles ou infrarouge proche. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. A titre de variante, pour renforcer la séparation spectrale, les éléments de couplages 103B, 103R peuvent comporter des couches de filtrage colorées, ne laissant passer la lumière que dans une bande de longueurs d'ondes spécifique.

Les éléments de couplage 103B et 103R peuvent être identiques. Toutefois, les inventeurs ont constaté qu'en pratique, une meilleure séparation spectrale peut être obtenue lorsque les éléments de couplage sumontant des pixels de différentes couleurs sont différents. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, l'élément de couplage 103B diffère de l'élément de couplage 103R par l'indice de réfraction moyen d'au moins l'une de ses couches.

Dans l'exemple représenté, chaque élément de couplage 103B est constitué d'un empilement de deux couches 103B]_ et 103B2, et chaque élément de couplage 103R est constitué d'un empilement de deux couches 103Rq et 103]¾. Pour des raisons pratiques de réalisation, les éléments de couplage 103B et 103R peuvent présenter sensiblement la même épaisseur totale. De plus, toujours pour des raisons pratiques de réalisation, les éléments de couplage 103B et 103R peuvent comporter le même nombre de couches, et leurs couches de même rang peuvent avoir sensiblement la même épaisseur. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ces cas particuliers.

Les éléments de couplage 103B, 103R sont de préférence relativement mince, de façon que, au niveau de chaque pixel, la distance entre la face inférieure des plots 107B, 107R et la face supérieure du substrat semiconducteur 101 soit faible, par exemple inférieure à 2,5*Xmax, où Xmax est la plus grande longueur d'onde que le capteur est destiné à détecter. Ceci permet notamment de limiter les risques de diaphotie ou cross talk. A titre d'exemple, la distance entre la face inférieure des plots 107B, 107R et la face supérieure du substrat semiconducteur 101 est inférieure à 1 μιη et de préférence inférieure à 0,5 pm.

Les éléments de couplage 103B, 103R permettent d'ajuster le couplage entre les plots 107B, 107R et les pixels sous-jacents. En effet, un coefficient de couplage trop élevé entraînera que les photons collectés par un plot 107B, 107R seront transmis presque immédiatement au photo-détecteur et ne contribueront donc pas ou peu à la résonance de la structure, ce qui se traduira par une diminution de la section efficace de collecte du plot. A l'inverse, un coefficient de couplage trop faible permettra d'obtenir une bonne résonance du plot, mais le transfert des photons collectés par le plot vers le photo-détecteur sera difficile, de sorte que des photons collectés par un plot 107B, 107R risquent d'être réémis vers l'extérieur du capteur.

Des programmes de simulation mis en oeuvre par ordinateur, par exemple des programmes basés sur la résolution des équations de Maxwell, peuvent être utilisés pour définir les différents paramètres du capteur, et notamment les paramètres des ensembles de plots élémentaires 105B, 105R et des éléments de couplage 103B, 103R, de façon à maximiser l'absorption de la lumière bleue par les pixels bleus, et à maximiser l'absorption de la lumière rouge par les pixels rouges. A titre d'exemple, illustratif, on considère une configuration du type décrit en relation avec les figures 2 et 3, dans laquelle les plots 107B et 107R sont en dioxyde de titane d'indice optique égal à 2,5 et sont entourés d'air d'indice optique égal à 1. On désigne par hl l'épaisseur des couches 103B^ et 103R]_ des éléments de couplage 103B et 103R, par h2 l'épaisseur des couches 103B2 et 103R2 des éléments de couplage 103B et 103R, et par n]_B, nlR^ n2B et n2R les indices respectifs des couches 103B]_, 103R]_, 103B2, et 103R2- On désigne en outre par hp la hauteur des plots 107B, 107R, par bl et al les largeurs des plots centraux carrés des ensembles 105B et 105R respectivement, par b2 et a2 les largeurs des plots carrés des ensembles 105B et 105R disposés au-dessus des coins des pixels, et par b3, b4 et a3, a4 les dimensions des plots rectangulaires des ensembles 105B, 105R disposés au-dessus des centres des bords des pixels. On désigne en outre par P la période de la matrice de pixels, c'est-à-dire la plus petite distance centre à centre entre deux pixels de même couleur, qui conditionne la taille des pixels (les pixels étant adjacents, chaque pixel à une dimension de l'ordre de P/2).

Le tableau ci-après fournit à titre indicatif un jeu de valeurs des différents paramètres susmentionnés permettant d'obtenir à la fois une bonne absorption de la lumière bleue par les pixels bleus, et une bonne absorption de la lumière rouge par les pixels rouges. Les dimensions sont en micromètres, et les indices optiques sont sans unité.

La figure 6 est un diagramme illustrant le fonctionnement du capteur défini par le jeu de paramètres ci-dessus. La figure 6 comprend une courbe 601g représentant l'évolution, en fonction de la longueur d'onde λ (en mètres, en abscisse) de l'absorption A de la lumière par les pixels bleus B d'un sous-ensemble de 2*2 pixels adjacents du capteur (tel que représenté en figure 3). La figure 6 comprend en outre une courbe 601r représentant l'évolution, en fonction de la longueur d'onde λ, de l'absorption A de la lumière par les pixels rouges R du même sous-ensemble de 2*2 pixels adjacents. L'absorption A est représentée en ordonnée sous la forme d'un coefficient normalisé (sans unité) compris entre 0 et 1. Plus particulièrement, à une longueur d'onde donnée λ, la valeur d'absorption A de la courbe 601g correspond au ratio de la quantité de lumière absorbée par les deux pixels bleus du sous-ensemble, par la quantité totale de lumière incidente sur les quatre pixels du sous-ensemble. De même, à une longueur d'onde donnée λ, la valeur d'absorption A de la courbe 601R correspond au ratio de la quantité de lumière absorbée par les deux pixels rouges du sous-ensemble, par la quantité totale de lumière incidente sur les quatre pixels du sous-ensemble .

Comme cela apparaît sur la figure 6, la courbe 601g présente un pic d'absorption supérieur à 0,5 dans une gamme de longueurs d'ondes centrée sur environ 450 nm, c'est-à-dire proche du bleu, et la courbe 601R présente un pic d'absorption supérieur à 0,5 dans une gamme de longueurs d'ondes centrée sur environ 600 nm, c'est-à-dire proche du rouge. Ainsi, le capteur réalise bien un tri spectral des photons dans la mesure où les pixels bleus reçoivent plus de la moitié de la lumière bleue vue par le sous-ensemble de pixels, et où les pixels rouges reçoivent plus de la moitié de la lumière rouge vue par le sous-ensemble de pixels.

Dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, les ensembles 105B, respectivement 105R surmontant les pixels du capteur, sont constitués de plots 107B, respectivement 107R, en un matériau transparent de haut indice, entourés par un matériau transparent de bas indice. A titre de variante, ces ensembles peuvent être remplacés par des ensembles de plots en un matériau transparent de bas indice entourés par un matériau transparent de haut indice. Comme dans les exemples précédents, le contraste d'indice entre les deux matériaux est supérieur à 0,5 et de préférence supérieur à 1. Des comportements similaires à ce qui a été décrit ci-dessus sont alors obtenus. A titre d'exemple, on considère une configuration similaire à celle du capteur dont le comportement est illustré par la figure 6, mais dans laquelle les ensembles 105B, respectivement 105R, sont constitués de plots 107B, respectivement 107R, en un matériau transparent de bas indice, entourés par un matériau transparent de haut indice. Comme dans l'exemple susmentionné, le matériau de haut indice est du dioxyde de titane d'indice optique égal à 2,5 et le matériau de bas indice est de l'air d'indice optique égal à 1.

Le tableau ci-après fournit à titre indicatif un jeu de valeurs des différents paramètres susmentionnés permettant d'obtenir à la fois une bonne absorption de la lumière bleue par les pixels bleus, et une bonne absorption de la lumière rouge par les pixels rouges.

La figure 7 est un diagramme illustrant le fonctionnement du capteur défini par le jeu de paramètres ci-dessus. La figure 7 comprend une courbe 701g représentant

l'évolution, en fonction de la longueur d'onde λ (en mètres, en abscisse) de l'absorption A de la lumière par les pixels bleus B d'un sous-ensemble de 2*2 pixels adjacents du capteur. La figure 7 comprend en outre une courbe 701r représentant l'évolution, en fonction de la longueur d'onde λ, de l'absorption A de la lumière par les pixels rouges R du même sous-ensemble de 2*2 pixels adjacents.

Comme cela apparaît sur la figure 7, la courbe 701g présente un pic d'absorption supérieur à 0,5 dans une gamme de longueurs d'ondes centrée sur environ 450 nm, c'est-à-dire proche du bleu, et la courbe 701r présente un pic d'absorption supérieur à 0,5 dans une gamme de longueurs d'ondes centrée sur environ 600 nm, c'est-à-dire proche du rouge. Ainsi, le capteur réalise bien un tri spectral des photons.

La figure 8 est une vue de dessus simplifiée illustrant un exemple d'un mode de réalisation d'un capteur d'images adapté à mesurer des intensités lumineuses reçues dans trois gammes de longueurs d'ondes distinctes, une gamme proche du bleu, une gamme proche du rouge et une gamme proche du vert dans 1 ' exemple considéré.

Comme dans l'exemple de la figure 1, le capteur comprend une pluralité de cellules photosensibles (ou pixels), par exemple identiques ou similaires, disposées en matrice selon des lignes et des colonnes. Pami ces cellules, des premières cellules, désignées par la référence B, sont destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme bleue, des deuxièmes cellules, désignées par la référence R, sont destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme rouge, des troisièmes cellules, désignées par la référence VI, sont destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme verte, et des quatrièmes cellules, désignées par la référence V2, sont aussi destinées à mesurer principalement l'intensité lumineuse reçue dans la gamme verte. Les pixels B, R, VI et V2 sont régulièrement répartis sur la surface du capteur. Les pixels sont par exemple disposés selon un matriçage de Bayer, constitué d'un motif élémentaire de 2*2 pixels adjacents, régulièrement répété par translation selon les directions des lignes et des colonnes du capteur. Dans l'exemple représenté, le pixel disposé en haut à gauche du motif élémentaire est un pixel rouge R, le pixel disposé en haut à droite du motif élémentaire est un pixel vert V2, le pixel disposé en bas à gauche du motif élémentaire est un pixel vert VI, et le pixel disposé en bas à droite du motif élémentaire est un pixel bleu B. Par souci de généralité, on considère ici que les pixels verts VI et V2 peuvent être différents. Par exemple, ils peuvent comporter des photodiodes de tailles différentes. En pratique, les pixels VI et V2 peuvent toutefois être identiques.

La figure 9 est une vue de dessus partielle représentant plus en détail un exemple de réalisation du capteur d'images de la figure 8. Plus particulièrement, la figure 9 représente un sous-ensemble de quatre pixels adjacents (un pixel rouge R, un pixel vert V2, un pixel vert VI et un pixel bleu B), correspondant à l'intersection de deux lignes adjacentes et de deux colonnes adjacentes du capteur.

La structure et le fonctionnement du capteur des figures 8 et 9 sont identiques ou similaires à ce qui a été décrit en relation avec les figures 1 à 7, à la différence près que, dans l'exemple des figures 8 et 9, le capteur comprend non plus deux mais quatre types de cellules distincts.

Chaque pixel bleu B, respectivement rouge R, respectivement vert VI, respectivement vert V2, est surmonté d'un ensemble 105B, respectivement 105R, respectivement 105V1, respectivement 105V2, de plots 107B, respectivement 107R, respectivement 107V1, respectivement 107V2, en un matériau diélectrique transparent d'un premier indice, séparés par un matériau diélectrique transparent d'un deuxième indice. Les ensembles élémentaires de plots 105B, 105R, 105V1, 105V2 diffèrent les uns des autres par les formes et/ou les dimensions de leurs plots. Dans l'exemple représenté, les pixels du capteur sont sensiblement carrés. Les plots 107B, 107R, 107V1, 107V2 sont disposés au-dessus des pixels en respectant les mêmes règles de symétrie que dans l'exemple des figures 1 à 7. Toutefois, on remarquera que dans l'exemple des figures 8 et 9, les pixels verts VI et V2 ne comprennent chacun que deux axes de symétrie locaux, correspondant aux deux axes orthogonaux passant par le centre du pixel et par les milieux des côtés du pixel. Ceci est dû au fait que l'on a considéré ici que les pixels verts VI et V2 peuvent être différents. Comme cela a été représenté sur la figure 9, les ensembles de plots 105V1 et 105V2 surmontant les pixels verts VI et V2 peuvent malgré tout comporter des plots 107V1, 107V2 à l'aplomb des coins des pixels. Comme dans l'exemple des figures 1 à 7, les fomes et les positions des plots 107B, 107R, 107V1, 107V2 peuvent être choisis de façon que le capteur soit invariant par rotation d'un angle de 90° par rapport à son centre. A titre de variante, comme cela a été représenté sur la figure 9, l'agencement des plots 107V1, 107V2 des pixels verts VI, V2 peut être choisi de façon que V2 soit l'image de VI par rotation de 90°. Le signal vert traité par le capteur pourra alors être la somme des signaux reçus par les deux pixels verts VI et V2 d'un même motif élémentaire, et sera ainsi indépendant de la polarisation de la lumière.

Comme dans l'exemple des figures 1 à 7, les différents paramètres du capteur, et notamment les paramètres des ensembles de plots élémentaires 105B, 105R, 105V1, 105V2 et des éléments de couplage sous-jacents (non visibles sur les figures 8 et 9), peuvent être définis au moyen de programmes de simulation mis en oeuvre par ordinateur, de façon à maximiser 1'absorption de la lumière bleue par les pixels bleus B, à maximiser l'absorption de la lumière rouge par les pixels rouges R, et à maximiser l'absorption de la lumière verte par les pixels verts VI et V2. Les simulations réalisées montrent qu'un tri des photons peut alors être obtenu.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples susmentionnés de dimensions, de formes et de matériaux.

On notera en outre que dans certains cas, l'aptitude recherchée du capteur à effectuer un tri spectral des photons peut être obtenue en disposant des ensembles 105 de plots résonants 107 uniquement au-dessus de certains pixels du capteur, par exemple uniquement au-dessus des pixels rouges R et bleus B dans l'exemple des figures 8 et 9. Ceci s'explique par le fait qu'en attirant à eux la lumière bleue et la lumière rouge, et en repoussant les autres composantes spectrales, les plots résonants 107B et 107R peuvent conduire à ce que les pixels verts VI, V2 voient naturellement majoritairement de la lumière verte, même s'ils ne sont pas eux-mêmes surmontés de nano-structurations résonantes. A titre de variante, on peut prévoir de disposer des ensembles 105 de plots résonants uniquement au-dessus de certains pixels du capteur, et de disposer des filtres couleur standard, par exemple des couches de résine colorée, au-dessus des autres pixels. Par exemple, dans le cas des figures 8 et 9, on peut prévoir de disposer des ensembles 105B, 105R de plots résonants 107B, 107R au-dessus des pixels bleus B et rouges R, et de disposer des filtres en résine colorée verte au-dessus des pixels verts VI et V2. Un avantage est que ceci permet de simplifier le dimensionnement des différents éléments du capteur. Par ailleurs, les pixels verts étant deux fois plus nombreux que les pixels bleus ou rouges, ils nécessitent moins de tri spectral.

On notera de plus que pour contrôler les effets de bord, des lignes et des colonnes de pixels "factices" - c'est-à-dire non utilisés pour acquérir du signal lumineux mais cependant surmontés par des éléments de couplage 103 et par des ensembles de plots 105 - peuvent être disposées à la périphérie de la matrice de pixels.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur d'images comportant une matrice de cellules photosensibles, la matrice comprenant au moins des premières (B) et deuxièmes (R) cellules régulièrement réparties sur la surface du capteur, dans lequel : chaque première cellule (B) est surmontée d'un premier ensemble (105B) de plots transparents (107B) de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule ; et chaque deuxième cellule (R) : a) est surmontée d'un deuxième ensemble (105R) de plots transparents (107R) de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule, les deuxièmes ensembles (105R) différant des premiers ensembles (105B) par les formes et/ou les dimensions de leurs plots ; ou b) n'est surmontée d'aucun plot, et dans lequel, dans chaque ensemble (105B, 105R) de plots (107B, 107R), l'espace entre les plots (107B, 107R) est rempli d'un matériau transparent présentant un contraste d'indice de réfraction supérieur à 0,5 avec le matériau des plots.
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel chaque première cellule (B) est surmontée d'un premier élément de couplage (103B) d'épaisseur inférieure à 2,5 fois la plus grande longueur d'onde (Amax) que le capteur est destiné à détecter, s'étendant depuis la face supérieure de la cellule (B) jusqu'à la face inférieure du premier ensemble (105B) de plots (107B).
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2 dans son alternative a) , dans lequel chaque deuxième cellule (R) est surmontée d'un deuxième élément de couplage (103R) d'épaisseur inférieure à 2,5 fois la plus grande longueur d'onde (Amax) que le capteur est destiné à détecter, s'étendant depuis la face supérieure de la cellule (R) jusqu'à la face inférieure du deuxième ensemble (105R) de plots (107R).
4. Capteur selon la revendication 3 dans sa dépendance à la revendication 2, dans lequel chaque élément de couplage (103B, 103R) est constitué d'un empilement d'une ou plusieurs couches (103B]_, 103B2, 103R]_, 103R2) , les premiers éléments de couplage (103B) différant des deuxièmes éléments de couplage (103R) par l'indice de réfraction d'au moins une de leurs couches.
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'agencement des pixels (B, R) et des plots (107B, 107R) est tel que le capteur est invariant par rotation de 90° de façon à être insensible à la polarisation de la lumière.
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la période (P) du capteur est inférieure à 5 fois la plus grande longueur d'onde (Àmax) que le capteur est destiné à détecter.
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans son alternative a), dans lequel les plots (107B) du premier ensemble (105B) sont dimensionnés pour définir une structure résonante pour une première gamme de longueurs d'ondes destinée à être détectée par les premières cellules (B), et dans lequel les plots (107R) du deuxième ensemble (105R) sont dimensionnés pour définir une structure résonante pour une deuxième gamme de longueurs d'ondes destinée à être détectée par les deuxièmes cellules (R) .
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque ensemble de plots (105B, 105R) comprend : un plot (107B, 107R) situé à l'aplomb du centre de la cellule (B, R) sous-jacente ; et un plot (107B, 107R) situé à l'aplomb de chacune des intersections de la périphérie de la cellule (B, R) sous-jacente avec un axe de symétrie local de la matrice.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre au moins des troisièmes cellules (VI, V2) réparties sur la surface du capteur, dans lequel chaque troisième cellule (VI) : est surmontée d'un troisième ensemble (105V1, 105V2) de plots transparents (107V, 107V2) de formes et/ou de dimensions différentes répartis à la périphérie et au centre de la cellule, les troisièmes ensembles (105V1, 105V2) différant des premiers (105B) et deuxièmes (105R) ensembles par les formes et/ou les dimensions de leurs plots ; ou n'est surmontée d'aucun plot.
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque cellule (B, R, VI, V2) non surmontée par un ensemble de plots (105B, 105R, 105V1, 105V2) est sumontée par un filtre couleur.
11. Capteur selon la revendication 10, dans lequel le filtre couleur est une couche de résine colorée.