FR3071665B1 - Redimensionnement des entites de detection d'un capteur d'image matriciel hybride - Google Patents
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Abstract
Un redimensionnement des entités de détection d'un capteur d'image matriciel hybride (100) comprend de modifier des connexions électriques qui sont portées par un circuit de détection (10) et/ou un circuit de lecture (20), et/ou les éléments d'assemblage (30). Plusieurs éléments photosensibles (111-115 ) peuvent ainsi être regroupés pour une même cellule de lecture (21 3), afin d'obtenir des entités de détection redimensionnées qui sont mieux adaptées pour certaines applications du capteur d'image. Des ressources du circuit de lecture peuvent simultanément être réaffectées, à partir de cellules de lecture devenues inutilisées (211, 212, 214, 215) à celles (213) qui sont connectées aux entités de détection redimensionnées. De telles modifications ne nécessitent pas de développements qui soient longs, risqués et onéreux, ni ne remet en cause une homologation pour utilisation spatiale qui aurait déjà été obtenue pour le capteur d'image dans sa configuration initiale.
Description
REDIMENSIONNEMENT DES ENTITES DE DETECTION D’UN CAPTEUR D’IMAGE MATRICIEL HYBRIDE
La présente invention concerne un redimensionnement des entités de détection d’un capteur d’image matriciel hybride.
Les capteurs d’images matriciels, dans lesquels chaque élément photosensible est situé à une intersection d’une ligne et d’une colonne de matrice, sont utilisés à ce jour non seulement pour des applications d’imagerie, mais aussi pour des applications spectrophotométriques et des applications mixtes de spectrophotométrie et d’imagerie. Dans ces deux derniers types d’applications, des éléments photosensibles qui sont adjacents dans la matrice sont destinés à détecter des intensités lumineuses relatives à des intervalles d’échantillonnage spectraux qui sont différents. Il est alors connu qu’il puisse être avantageux de collecter les flux lumineux dans des surfaces de collecte qui ont des dimensions différentes selon la direction des lignes de la matrice et celle des colonnes. Autrement dit, il est avantageux pour certaines applications que les pas de lignes et de colonnes qui sont effectifs pour l’information recueillie en utilisant le capteur d’image, soient différents.
Or la plupart des capteurs d’images matriciels qui sont disponibles à ce jour ont des pas de lignes et de colonnes pour leurs éléments photosensibles, qui sont égaux, ce qui représente une situation très généralement favorable pour les applications d’imagerie qui sont les plus nombreuses à utiliser de tels capteurs. Autrement dit, la matrice de détection des capteurs d’images est en général à motif carré. Mais concevoir et fabriquer un nouveau capteur d’image matriciel qui aurait des pas différents de lignes et de colonnes pour ses éléments photosensibles, c’est-à-dire dont la matrice de détection posséderait un motif rectangulaire, est un investissement financier considérable. Cet investissement est encore supérieur pour une utilisation dans l’espace du capteur d’image, puisqu’il est alors nécessaire de soumettre le capteur à des tests d’homologation pour application spatiale qui sont spécifiques, longs et coûteux.
Par ailleurs, il est connu de regrouper les signaux de lecture qui proviennent d’éléments photosensibles voisins à l’intérieur d’un capteur à matrice carrée, pour obtenir une information qui corresponde à un motif matriciel effectif qui soit rectangulaire. Pour cela, des signaux de détection qui proviennent de plusieurs éléments photosensibles voisins sont lus indépendamment les uns des autres puis additionnés. Mais la valeur qui résulte de l’addition est alors associée à un bruit de lecture important, puisque celui-ci résulte de la combinaison des bruits de lecture individuels des éléments photosensibles dont les signaux de lecture sont ajoutés. En outre, l’addition des signaux de lecture individuels nécessite de mettre en œuvre des composants électroniques dédiés, dont la conception, la réalisation et l’homologation pour une utilisation spatiale génèrent des coûts supplémentaires significatifs.
Indépendamment, les capteurs d’images du type CCD, pour «Charge-Coupled Device» en anglais, procurent une grande souplesse pour la programmation de la séquence de lecture, si bien qu’il est possible pour ces capteurs CCD, en une seule opération de lecture, de recueillir au travers d’une sommation de charges un signal de lecture qui concerne plusieurs cellules de détection adjacentes de la matrice photosensible. Cet avantage des capteurs CCD est encore largement utilisé pour des applications spectrophotométriques ou des applications mixtes de spectrophotométrie et d’imagerie, lorsque des surfaces effectives de forme rectangulaire sont préférables pour collecter les flux lumineux. De nos jours, si la technologie CCD est toujours disponible pour la réalisation de capteurs d’images matriciels monolithiques à base de silicium, l’offre commerciale des capteurs d’images hybrides est quasi exclusivement basée sur des circuits de lecture de type CMOS, pour «Complementary Métal Oxide Semiconductor» en anglais. Or ces derniers n’offrent généralement pas la capacité de recueillir en une seule opération de lecture un signal de lecture correspondant à plusieurs cellules de détection adjacentes.
Lorsqu’un capteur d’image matriciel de type hybride est utilisé, un circuit de détection et un circuit de lecture sont fabriqués séparément, puis assemblés à l’aide de connexions, dites connexions d’assemblage, qui ont une double fonction mécanique et électrique. Chaque connexion d’assemblage relie un-à-une un seul élément photosensible du circuit de détection à une seule cellule de lecture du circuit de lecture. En particulier, pour des applications dans le domaine spectral où la longueur d’onde du rayonnement est comprise entre 1,1 pm (micromètre) et 18 pm, il est connu d’utiliser une telle structure hybride du capteur d’image avec un circuit de détection qui est à base d’un alliage de mercure (Hg), cadmium (Cd) et tellure (Te), en remplacement du silicium qui n’absorbe plus dans ce domaine spectral. D’autres alliages peuvent être utilisés tels que InGaAs, pour indium-gallium-arsenic et InSb pour indium-antimoine, ainsi que des structures de type super-réseaux qui sont désignées par QWIP ou T2SL par l’Homme du métier. Mais le risque que certains éléments photosensibles d’un tel circuit de détection soient défectueux, est supérieur, car la qualité cristalline de ces alliages semi-conducteurs est inférieure à celle du silicium. Alors, il est connu de prévoir un réseau de connexions électriques et de commutateurs contrôlables dans le circuit de lecture, qui permet de combiner les signaux de détection qui sont produits par plusieurs éléments photosensibles, ou de combiner les signaux de lecture qui sont délivrés par plusieurs cellules de lecture. De telles combinaisons de signaux permettent d’exclure ceux des éléments photosensibles du circuit de détection qui ont été identifiés comme étant défectueux, tout en conservant des capacités effectives de collecte des flux lumineux dans la matrice du capteur d’image. Mais l’intégration du réseau de connexions et de commutateurs contrôlables qui est nécessaire pour cela utilise une surface importante du circuit de lecture et se fait au détriment des performances du capteur d’images matriciel de type hybride. Par ailleurs, une telle architecture est généralement peu flexible en termes de choix de combinaisons des signaux provenant d’éléments photosensibles connexes. A partir de cette situation, un but de la présente invention est de fournir à faibles coûts de développement des capteurs d’images matriciels de type hybride qui procurent des surfaces non-carrées, notamment rectangulaires, effectives pour collecter les flux lumineux.
Un autre but de l’invention est de permettre d’adapter simplement, à faible coût et à faible risque, la forme des surfaces qui sont effectives à l’intérieur de la matrice de détection pour collecter les flux lumineux.
Un autre but encore de l’invention est de fournir de tels capteurs d’images matriciels à surfaces effectives qui ne sont pas carrées pour collecter les flux lumineux, pour lesquels le bruit qui est associé à chaque signal de lecture est faible.
Un autre but encore de l’invention est de fournir de tels capteurs d’images matriciels à surfaces effectives qui ne sont pas carrées pour collecter les flux lumineux, pour lesquels le nombre de signaux à lire est réduit.
Enfin, lorsque le capteur d’image est destiné à une application spatiale, un but supplémentaire de l’invention est de fournir un capteur d’image matriciel à surfaces effectives qui ne sont pas carrées pour collecter les flux lumineux, sans qu’il soit nécessaire d’effectuer une nouvelle procédure d’homologation pour application spatiale.
Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou d’autres, un premier aspect de l’invention propose un procédé de redimensionnement des entités de détection d’un capteur d’image matriciel hybride. Un tel capteur d’image matriciel hybride comprend : - un circuit de détection, comprenant lui-même une matrice d’éléments photosensibles avec un pas de lignes et un pas de colonnes, ces pas de lignes et de colonnes pouvant être égaux mais pas nécessairement, et chaque élément photosensible étant situé à une intersection d’une ligne et d’une colonne ; - un circuit de lecture, comprenant une matrice de cellules de lecture qui possède le même pas de lignes et le même pas de colonnes que le circuit de détection, chaque cellule de lecture étant située à une intersection d’une des lignes et d’une des colonnes ; et - des connexions d’assemblage du circuit de détection au circuit de lecture, qui sont disposées entre ces deux circuits et conçues chacune initialement pour relier rigidement et électriquement, selon une affectation initiale de un-à-une, un seul des éléments photosensibles à une seule des cellules de lecture qui est destinée initialement à cet élément photosensible, séparément des autres connexions d’assemblage afin de transférer à la cellule de lecture le signal de détection qui est produit par l’élément photosensible sous l’effet d’un rayonnement reçu.
Selon l’invention, des connexions électriques qui sont portées par le circuit de détection ou par le circuit de lecture, et qui aboutissent aux connexions d’assemblage, sont modifiées par rapport à l’affectation initiale de un-à-une, pour relier électriquement un sous-ensemble de plusieurs éléments photosensibles adjacents à une seule des cellules de lecture qui devient dédiée à ce sous-ensemble d’éléments photosensibles, séparément d’autres sous-ensembles d’éléments photosensibles, de façon à former des entités de détection composées.
Par modifier des connexions électriques, on entend de concevoir de nouvelles connexions électriques qui sont différentes de celles prévues pour l’affectation initiale un-à-une de chaque élément photosensible à une cellule de lecture respective, puis de fabriquer le circuit de détection et/ou le circuit de lecture avec les nouvelles connexions électriques en remplacement des connexions électriques qui réalisaient l’affectation initiale de un-à-une. En particulier, les modifications des connexions électriques qui sont visées par l’invention couvrent des connexions électriques dont les chemins de connexion sont déviés ou déplacés, et/ou des connexions électriques qui sont ajoutées et/ou des connexions électriques qui sont supprimées. Les circuits de détection et de lecture ainsi modifiés sont assemblés ensuite l’un à l’autre par l’intermédiaire des connexions d’assemblage, de préférence sans modification de la méthode d’assemblage. Eventuellement, le nombre des connexions d’assemblage peut être modifié pour l’invention, mais pas nécessairement.
Ainsi, l’invention propose d’utiliser des circuits de détection et de lecture qui ont été conçus pour affecter un seul élément photosensible du circuit de détection à chaque cellule de lecture du circuit de lecture, en modifiant cette affectation initiale de un-à-une pour regrouper plusieurs éléments photosensibles pour une seule cellule de lecture. Les modifications matérielles qui sont nécessaires pour cela ne concernent que des connexions électriques, si bien que le coût peut en être réduit. En outre, ces modifications ne concernent que des connexions électriques passives, sans commutateurs contrôlables et sans qu’aucun composant électronique actif existant soit modifié, et aussi sans qu’aucun composant électronique actif supplémentaire ne soit nécessaire. Elles ne remettent donc pas en cause des homologations pour application spatiale qui auraient été obtenues antérieurement pour le circuit de détection et pour le circuit de lecture avec l’affectation un-à-une de chaque élément photosensible séparément à une cellule de lecture différente.
La disposition relative, à l’intérieur de la matrice du circuit de détection, des éléments photosensibles adjacents qui sont regroupés pour une même cellule de lecture peut être quelconque, selon l’application envisagée pour le capteur d’image. En particulier, ils peuvent être alignés dans une même ligne ou une même colonne de la matrice, ou bien être regroupés à l’intérieur d’un pavé bidimensionnel de forme quelconque qui réunit plusieurs segments de lignes adjacents et plusieurs segments de colonnes adjacents.
Enfin, les signaux de détection qui sont produits simultanément par tous les éléments photosensibles d’une même entité de détection composée, formée selon l’invention, sont lus lors d’une opération de lecture unique qui est exécutée par celle des cellules de lecture qui est dédiée à cette entité de détection composée. Le signal de lecture résultant n’est donc affecté qu’une seule fois par le bruit de lecture, si bien que le bruit total qui affecte ce signal de lecture, comprenant aussi le bruit photonique, peut rester faible ou réduit. Par ailleurs, le nombre d’opérations élémentaires de lecture est réduit, si bien que la séquence complète de lecture du capteur d’image tel que modifié selon l’invention peut être répétée, ou bien la bande passante électrique de l’électronique de lecture qui est située en aval du capteur d’image peut être réduite, conduisant dans les deux cas à une réduction supplémentaire du bruit total.
De préférence, les connexions électriques qui sont modifiées pour relier électriquement chaque sous-ensemble de plusieurs éléments photosensibles à une seule des cellules de lecture qui devient dédiée à ce sous-ensemble d’éléments photosensibles, appartiennent à des niveaux de métallisation du circuit de détection ou du circuit de lecture. Au sens de l’invention, les niveaux de métallisation d’un circuit incluent des niveaux de matériaux diélectriques tels que des oxydes et/ou des nitrures. Etant donné que les niveaux de métallisation des circuits ne nécessitent qu’une technologie simple pour leur fabrication, leurs modifications pour appliquer l’invention ne provoquent pas de surcoûts importants.
De préférence aussi, les connexions électriques qui sont modifiées pour l’invention peuvent l’être de sorte que les sous-ensembles de plusieurs éléments photosensibles adjacents qui sont reliés à des cellules de lecture différentes, forment un motif de pavage qui est répété dans la matrice du circuit de détection. Possiblement, ils peuvent former plusieurs motifs de pavage qui sont chacun répétés dans des zones respectives de la matrice du circuit de détection.
Possiblement, certaines des connexions d’assemblage peuvent aussi être modifiées ou supprimées, en plus des connexions électriques qui sont modifiées, pour relier électriquement chaque sous-ensemble d’éléments photosensibles à la cellule de lecture qui est dédiée à ce sous-ensemble d’éléments photosensibles.
Selon un perfectionnement de l’invention, des connexions électriques supplémentaires qui sont portées par le circuit de lecture, peuvent être modifiées en outre pour raccorder électriquement aux cellules de lecture connectées aux sous-ensembles de plusieurs éléments photosensibles, selon une réaffectation de ressources du circuit de lecture, des composants électroniques qui appartenaient initialement à des cellules de lecture mais dont ces cellules de lecture n’ont pas été dédiées à des sous-ensembles de plusieurs éléments photosensibles. Il est ainsi possible d’adapter les caractéristiques des cellules de lecture encore utilisées, aux caractéristiques des sous-ensembles d’éléments photosensibles formés selon l’invention. Ces caractéristiques qui sont ainsi adaptées peuvent concerner notamment la dynamique des signaux de lecture, ou le facteur de conversion électron-tension de l’opération de lecture, ou le bruit de l’opération de lecture. En particulier, les composants électroniques qui sont raccordés selon la réaffectation de ressources du circuit de lecture, peuvent être des condensateurs, notamment des condensateurs d’intégration, des condensateurs de filtrage ou des condensateurs de lecture. De préférence, ces condensateurs peuvent être contenus dans des niveaux de métallisation du circuit de lecture.
Le capteur d’image matriciel hybride auquel est appliqué le procédé de redimensionnement de l’invention, peut être destiné à une application spectrophotométrique ou à une application mixte de spectrophotométrie et d’imagerie. Pour de telles applications, certaines des entités de détection composées, formées selon l’invention, peuvent être destinées à détecter des flux lumineux qui sont relatifs à des intervalles d’échantillonnage spectraux différents.
Le circuit de détection peut être en matériau semi-conducteur silicium, notamment lorsqu’il est destiné à détecter des rayonnements dont la longueur d’onde est comprise entre 200 nm (nanomètre) et 1,1 pm. Alternativement, le circuit de détection peut comporter une couche active en alliage de mercure, cadmium et tellure. Cette dernière constitution est adaptée en particulier lorsque le circuit de détection est destiné à détecter des rayonnements de longueur d’onde comprise entre 1,1 pm et 18 pm en remplacement du silicium qui n’absorbe plus dans ce domaine spectral. D’autres alliages peuvent être utilisés pour la couche active, tels que InGaAs et InSb, ainsi que des structures de type super-réseaux QWIP ou T2SL. De façon usuelle, on entend par couche active d’un circuit de détection une couche de celui-ci dans laquelle sont formés les éléments photosensibles. D’une façon générale mais non obligatoire, le procédé de l’invention peut comprendre en outre une étape de fabrication du capteur d’image matriciel hybride, conformément aux connexions électriques modifiées, de façon à ce que le capteur d’image matriciel hybride comporte les entités de détection composées.
Enfin, un second aspect de l’invention propose un capteur d’image matriciel hybride, qui a été conçu et fabriqué en mettant en œuvre un procédé de redimensionnement de ses entités de détection conforme au premier aspect de l’invention. Dans un tel capteur d’image, le pas des lignes et le pas des colonnes des éléments photosensibles dans la matrice du circuit de détection, peuvent être identiques. Mais les pas des sous-ensembles d’éléments photosensibles, qui constituent les entités de détection composées formées selon l’invention, selon la direction des lignes et celle des colonnes de la matrice du circuit de détection, peuvent être différents l’un de l’autre dans une partie au moins de cette matrice. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d’un capteur d’image matriciel hybride auquel l’invention peut être appliquée ; - la figure 2 est un diagramme électrique de principe d’une cellule de détection et d’une cellule de lecture qui sont associées, telles que ces cellules peuvent être mises en œuvre dans un capteur d’image matriciel hybride conforme à la figure 1 ; - la figure 3a est un schéma hybride d’un capteur d’image conforme aux figures 1 et 2, tel que connu avant la présente invention, ce schéma étant formé pour partie par une coupe de circuit de détection et pour partie par un diagramme électrique du circuit de lecture ; - les figures 3b et 3c correspondent à la figure 3a, en illustrant deux exemples de mise en œuvre de l’invention ; et - la figure 4 est une vue en plan qui illustre une affectation possible des éléments photosensibles d’un capteur d’image, telle que résultant de l’invention.
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.
Conformément à la figure 1, un capteur d’image matriciel hybride 100, auquel l’invention peut être appliquée, comprend un circuit de détection 10 et un circuit de lecture 20, qui sont superposés selon la direction d’assemblage D. Dans des plans orthogonaux à la direction D, les circuits 10 et 20 sont chacun formés par une juxtaposition de cellules qui sont identiques à l’intérieur de chaque circuit, selon une disposition matricielle qui est commune à ces deux circuits. La matrice de cette disposition est composée de lignes et de colonnes perpendiculaires, aux croisements desquelles sont situées les cellules des circuits 10 et 20. Les références L et C désignent les directions de lignes et de colonnes de la matrice, respectivement. Les pas de lignes et de colonnes sont communs au circuit de détection 10 et au circuit de lecture 20 pour permettre aux cellules de détection et de lecture d’être alignées une-à-une selon la direction d’assemblage D. Les pas de la matrice, mesurés parallèlement aux lignes et aux colonnes, peuvent être différents mais sont le plus souvent égaux, correspondant à une matrice à motif carré, par exemple égaux à 15 pm. En illustrant le cas d’égalité, la référence p dans les figures 1, 3a-3c et 4 désigne le pas de lignes et de colonnes de la matrice qui est commune aux circuits 10 et 20.
Les cellules du circuit de détection 10 sont en général toutes identiques, séparées spatialement les unes des autres, et comprennent chacune un élément photosensible 11, et un plot de contact électrique 12 qui est relié électriquement à l’une des bornes de l’élément photosensible 11. Les éléments photosensibles 11 peuvent être des photodiodes, et sont destinés à recevoir un rayonnement lumineux R à travers la face d’entrée F11 du circuit de détection 10. La face d’entrée F11 est opposée à la face de connexions électriques F12 qui porte les plots de contact électrique 12. La nature du substrat qui est utilisé pour constituer un tel circuit de détection 10 peut être variable, et sélectionnée en fonction du domaine de sensibilité spectrale qui est désiré. Par exemple, un substrat à base de silicium (Si) peut être utilisé pour une détection dans les domaines visible et proche infrarouge, dont la réunion correspond à des valeurs de longueur d’onde pour le rayonnement R qui sont comprises entre 200 nm et 1,1 pm. Alternativement, un substrat à base d’alliage de cadmium (Cd), zinc (Zn) et tellure (Te) portant une couche active d’alliage de mercure (Hg), cadmium et tellure peut être utilisé pour une détection dans le domaine infrarouge plus lointain, correspondant à des valeurs de longueur d’onde qui sont comprises entre 1,1 pm et 18 pm, et qui regroupe les intervalles connus sous les acronymes SWIR pour «Short Wavelength
InfraRed», MWIR pour «Mid Wavelength InfraRed» ; LWIR pour «Long Wavelength InfraRed» et VLWIR pour «Very Long Wavelength InfraRed». D’autres alliages peuvent encore être utilisés alternativement, pour couvrir tout ou partie du domaine de longueur d’onde infrarouge, tels que InGaAs et InSb déjà cités, ainsi que des structures de type super-réseaux QWIP ou T2SL aussi déjà citées. Dans la figure 1, la référence S10 désigne le substrat du circuit de détection 10, et la référence A11 désigne sa couche active. Dans certains cas, le substrat S10 est retiré après que la couche active A11 a été formée, si bien que le substrat S10 n’existe plus dans le circuit de détection final 10. En outre, d’une façon qui est connue pour la technologie des semi-conducteurs, des niveaux de métallisation 19 peuvent être disposés entre les éléments photosensibles 11 et les plots de contact électrique 12, mais pas nécessairement. Une telle structure de circuit de détection matriciel est bien connue de l’Homme du métier, si bien qu’il n’est pas nécessaire de la décrire plus ici. Notamment, le circuit de détection 10 comprend en outre des éléments supplémentaires, qui ne sont pas représentés ni décrits car n’étant pas concernés directement par l’invention. En particulier, il comprend une connexion de fermeture de circuit électrique, qui relie des bornes des éléments photosensibles 11 opposées à celles connectées aux plots de contact 12.
Les cellules du circuit de lecture 20 sont des cellules de lecture 21, dont la fonction individuelle est de transformer le signal de détection qui est produit par l’un des éléments photosensibles 11 du circuit de détection 10, aussi appelé signal de détection, en une tension électrique qui constitue le signal de lecture. Les cellules de lecture 21 d’un même circuit de lecture 20 sont séparées spatialement les unes des autres, et sont en général toutes identiques. Elles peuvent être de différents types selon le circuit de lecture, notamment des types CTIA pour «Capacitive Trans-lmpedance Amplifier» en anglais, SFD pour «Source Follower per Detector», DI pour «Direct Injection», BDI pour «Buffered Direct Injection», etc. L’invention sera décrite à titre d’exemple non-limitatif pour des cellules de lecture du type CTIA, en relation avec la figure 2 décrite plus loin. Chaque cellule de lecture 21 est connectée à un plot de contact électrique 22, séparément des autres cellules de lecture. Les plots de lecture 22 sont tous situés sur la face F22 du circuit de lecture 20, qui est destinée à venir en vis-à-vis de la face F12 du circuit de détection 10 dans l’assemblage du capteur d’image hybride 100. Par ailleurs, et d’une façon qui est connue pour les circuits intégrés, des niveaux de métallisation 29 sont disposés entre les plots de contact électrique 22 et une partie d’un substrat S20 du circuit de lecture 20 qui contient les cellules de lecture 21. Une telle structure de circuit de lecture matriciel est aussi bien connue de l’Homme du métier. Le circuit de lecture 20 comprend aussi des éléments supplémentaires qui ne sont pas concernés directement par l’invention, et donc qui ne sont pas représentés ni décrits. Le circuit de lecture 20 est le plus souvent de type CMOS.
Le circuit de détection 10 est assemblé avec le circuit de lecture 20 au moyen d’éléments d’assemblage 30, un élément différent 30 étant dédié à chaque couple qui est formé par une cellule de détection du circuit 10 et une cellule de lecture du circuit 20 qui sont en vis-à-vis selon la direction d’assemblage D. Chaque élément d’assemblage 30 connecte ainsi mécaniquement et électriquement un plot de contact électrique 12 avec un plot de contact électrique 22. Les circuits 10 et 20 ainsi assemblés constituent le capteur d’image matriciel hybride 100. Tout type d’éléments d’assemblage peut être utilisé, notamment des billes d’indium qui sont désignées par «bumps» en anglais, et il est entendu que l’invention est indépendante du type des éléments d’assemblage et compatible avec n’importe quel type d’éléments d’assemblage.
Par exemple, un tel capteur d’image matriciel hybride, auquel l’invention peut être appliquée, peut être le modèle NGP, pour «Next Génération Panchromatic®», qui est fabriqué par la société Sofradir® et qui est conforme à la figure 2. Cette figure montre une photodiode qui constitue l’élément photosensible 11, ainsi que le plot de contact électrique 12 associé, pour une cellule de détection du circuit de détection 10. Elle montre aussi les principaux composants de la cellule de lecture 21 associée, conformément au type CTIA de cellules de lecture. Ces composants comprennent le plot de contact électrique 22, un amplificateur opérationnel 23, un condensateur d’intégration 24, un commutateur de réinitialisation 24a, un condensateur de filtrage 25, un commutateur de transfert 26 et un condensateur de lecture 27.
Le commutateur de réinitialisation 24a est contrôlé pour réinitialiser le condensateur d’intégration 24 entre deux périodes d’accumulation successives. Le commutateur de transfert 26 est contrôlé à la fin de chaque période d’accumulation pour transférer au condensateur de lecture 27 le signal d’accumulation qacc qui a été produit par l’élément photosensible 11 dans le condensateur d’intégration 24 sous l’effet du rayonnement R. Le condensateur de lecture 27 génère ainsi une tension électrique V|ecture qui constitue le signal de lecture, et qui est transmise après multiplexage vers une sortie électrique du capteur d’image 100, à travers un ou plusieurs étages d’amplification (non représentés) et par l’intermédiaire d’un circuit d’adressage (non représenté). L’amplificateur opérationnel 23 transmet la tension de polarisation en sens inverse Vpoiarisation à la photodiode, et Iphoto désigne le courant électrique de formation du signal d’accumulation qaCc· Le courant Iphoto a été appelé signal de détection plus haut dans la présente description. Un tel fonctionnement d’une entité de détection de rayonnement est bien connu de l’Homme du métier, et des explications supplémentaires sont disponibles en abondance dans la littérature concernée.
Dans une configuration initiale du capteur d’image matriciel hybride 100, les niveaux de métallisation 19 du circuit de détection 10 ne forment aucune connexion électrique qui regroupe les signaux de détection lphoto qui sont produits par deux éléments photosensibles 11 différents. De même, le circuit de détection 10 ne comporte pas de connexion électrique sur sa face F12, au niveau des plots de contact électrique 12, qui regroupe les signaux de détection Iphoto qui sont produits par deux éléments photosensibles 11 différents. Dans la partie générale de la présente description, l’expression «connexions électriques portées par le circuit de détection (respectivement circuit de lecture)» concerne aussi bien des connexions électriques qui sont intégrées au circuit de détection 10 (resp. circuit de lecture 20) dans ses niveaux de métallisation 19 (resp. 29), que des connexions surfaciques qui peuvent être présentes au niveau des plots de contact électrique 12 (resp. 22) au-dessus des niveaux de métallisation. Aussi dans la configuration initiale du capteur d’image matriciel hybride 100, les niveaux de métallisation 29 du circuit de lecture 20 ne forment aucune connexion électrique qui regroupe les signaux de détection Iphoto qui proviennent de cellules de détection différentes. Et encore de même, le circuit de lecture 20 ne comporte pas de connexions électriques sur sa face F22, au niveau des plots de contact électrique 22, qui regroupe les signaux de détection Iphoto qui proviennent de cellules de détection différentes. L’association initiale qui est ainsi réalisée par chaque élément d’assemblage 30, d’un seul élément photosensible 11 avec chaque cellule de détection 21, indépendamment des autres éléments photosensibles et des autres cellules de détection, a été appelée affectation initiale un-à-une dans la partie générale de la présente description. Elle est illustrée par la figure 3a, dans laquelle les références 11 n, n étant un indice entier de 1 à 5, désignent cinq éléments photosensibles voisins du circuit de détection 10, les références 21 n désignent les cellules de lecture du circuit de lecture 20 qui sont affectées initialement aux cinq éléments photosensibles 11n, les références 22n désignent les plots de contact électrique des cellules de lecture 21 n, et les références 30n désignent les éléments d’assemblage qui relient un-à-une les éléments photosensibles 11 n aux cellules de lecture 21 n. L’invention consiste en une modification de cette affectation initiale un-à-une pour regrouper électriquement plusieurs éléments photosensibles pour une même cellule de détection.
Conformément à la figure 3b, les niveaux de métallisation 19 du circuit de détection 10 sont modifiés pour contenir un ensemble de connexions électriques 190 qui connecte en parallèle les éléments photosensibles 11i-115 des cinq cellules de détection représentées. Simultanément, les niveaux de métallisation 29 du circuit de lecture 20 sont modifiés pour supprimer les connexions électriques qui reliaient selon l’affectation initiale, le plot de contact électrique 22i à la cellule de lecture 211, le plot de contact électrique 222 à la cellule de lecture 212, le plot de contact électrique 224 à la cellule de lecture 214, et le plot de contact électrique 225 à la cellule de lecture 215. Ces suppressions de connexions électriques sont indiquées par les flèches F dans la figure 3b. La connexion électrique qui relie le plot de contact électrique 223 à la cellule de lecture 213 est conservée. Ainsi, les signaux de détection Iphoto qui sont produits par les cinq éléments photosensibles 11-1-115, sont additionnés et lus par la cellule de lecture 213. D’une façon équivalente au mode de mise en oeuvre de l’invention qui est illustré par la figure 3b, les suppressions de connexions électriques qui sont indiquées par les flèches F peuvent être réalisées en modifiant le procédé d’assemblage du circuit de détection 10 au circuit de lecture 20. Une telle modification pourrait alors être réalisée en supprimant les éléments d’assemblage 30-i, 302, 304 et 305, et en ne conservant que l’élément d’assemblage 303.
La figure 3c montre un mode de réalisation alternatif de l’invention, dans lequel le circuit de détection 10 et les éléments d’assemblage 30-i-305 ne sont pas modifiés par rapport à leurs configurations initiales, mais les niveaux de métallisation 29 du circuit de lecture 20 sont modifiés pour supprimer la connexion électrique entre le plot de contact électrique 22i et la cellule de lecture 211, et aussi celle entre le plot de contact électrique 222 et la cellule de lecture 212, et celle entre le plot de contact électrique 224 et la cellule de lecture 214, et celle entre le plot de contact électrique 225 et la cellule de lecture 215. Les flèches F désignent encore ces suppressions de connexions électriques. Simultanément, les niveaux de métallisation 29 sont modifiés en outre pour connecter électriquement les plots de contact électrique 221; 222, 224 et 225 au plot de contact électrique 223, en générant la connexion électrique 290 qui a le même rôle fonctionnel que la connexion électrique 190 de la figure 3b. La connexion électrique du plot de contact électrique 223 à la cellule de lecture 213 est maintenue.
De façon équivalente, les ensembles de connexions électriques 190 ou 290 qui sont ajoutés dans les circuits 10 et 20 de l’une des manières décrites ci-dessus en référence aux figures 3b et 3c, peuvent être situées au niveau des plots de contact électrique 12 ou 22 au lieu d’être situées dans les niveaux de métallisation 19 ou 29. Dans tous les cas, les modifications ne concernent pas de composants actifs, ni modifient les pas de lignes et de colonnes de la matrice commune aux deux circuits 10 et 20. Ces modifications sont donc simples à réaliser dans tous les cas, sans causer de surcoûts importants par rapport au capteur d’image 100 tel que conçu initialement conformément à l’affectation un-à-une entre les éléments photosensibles et les cellules de lecture.
La figure 4 montre le pavage de la matrice du capteur d’image 100 qui peut ainsi être obtenu. Les éléments photosensibles 11 sont regroupés par rectangles indépendants d’éléments photosensibles adjacents, par exemple de deux éléments photosensibles 11 selon la direction des lignes L par cinq éléments photosensibles 11 selon la direction des colonnes C. Chaque rectangle de 2x5 cellules marqué en trait épais correspond à un sous-ensemble SS d’éléments photosensibles 11 qui est séparé des autres sous-ensembles à l’intérieur de la matrice. Il est connecté à une seule cellule de lecture 21 conformément à la nouvelle affectation produite selon l’invention entre éléments photosensibles et cellules de lecture. La cellule de lecture 21 qui est utilisée pour chaque sous-ensemble SS est marquée par une croix. Lors de la détection du rayonnement R par le capteur d’image 100 ainsi modifié, chaque sous-ensemble SS de plusieurs éléments photosensibles 11 a la fonction d’une seule entité de détection de rayonnement. Pour cette raison il a été appelé entité de détection composée dans la partie générale de la présente description, et l’invention a permis de réaliser ainsi un redimensionnement des entités de détection qui sont effectives dans le capteur d’image matriciel hybride 100.
Du fait que plusieurs éléments photosensibles 11 deviennent connectés à une même cellule de lecture 21, la nouvelle affectation libère des cellules de lecture 21, qui sont devenues inutiles. Or il peut être utile de modifier en plus les caractéristiques de chaque cellule de lecture 21 qui est utilisée dans la nouvelle affectation (marquée par une croix dans la figure 4), notamment pour l’adapter à la nouvelle dynamique du signal d’accumulation total qui résulte de la mise en parallèle des éléments photosensibles 11 d’un même sous-ensemble SS. Des modifications des cellules de lecture 21 qui sont utilisées dans la nouvelle affectation peuvent aussi être utiles pour adapter le facteur de conversion électron-tension, ou pour réduire le bruit de lecture qui est associé à ces cellules de lecture 21 utilisées dans la nouvelle affectation. En particulier et en se référant aux figures 3b et 3c, les condensateurs d’intégration 24-i, 242, 244 et 245 peuvent être isolés électriquement des autres composants de leurs cellules de lecture initiales 21 212, 214 et 215, et connectés électriquement au condensateur d’intégration 243 de la cellule 213, par exemple selon un mode de connexion en parallèle. Le condensateur d’intégration équivalent qui en résulte peut posséder une capacité supérieure, capable de recevoir simultanément les signaux de détection lphoto qui sont produits par les cinq éléments photosensibles 11i-115. Ces modifications de connexions électriques, qui concernent les condensateurs d’intégration 24-i-245, peuvent être réalisées dans les niveaux de métallisation 29 du circuit de lecture 20, à faible coût et faible risque, et sans exiger une nouvelle procédure d’homologation pour application spatiale. Eventuellement, des condensateurs supplémentaires peuvent être ajoutés dans les niveaux de métallisation 29 du circuit de lecture 20, et raccordés au condensateur d’intégration 243. Diverses méthodes pour produire des condensateurs à l’intérieur des niveaux de métallisation d’un circuit intégré sont bien connues de l’Homme du métier.
Pour le type CTIA de cellules de lecture et en se référant aux figures 3b et 3c, les condensateurs de lecture 27-i, 272, 274 et 275 peuvent aussi être isolés électriquement des autres composants des cellules de lecture 21-i, 212, 214 et 215, et connectés électriquement au condensateur de lecture 273 de la cellule 213. Une telle modification de connexions électriques peut être mise en œuvre notamment pour réduire le bruit de lecture qui est associé à la cellule de lecture 21 utilisée dans la nouvelle affectation.
Le même principe de réaffectation de composants électroniques, depuis des cellules de lecture qui sont devenues inutilisées dans la nouvelle affectation, vers les cellules de lecture qui sont connectées aux sous-ensembles de plusieurs éléments photosensibles, peut être appliqué à n’importe quel composant électronique des cellules de lecture 21-|-215, y compris aux condensateurs de filtrage 25i-255, ce qui permet encore de réduire le bruit de lecture qui est associé à la cellule de lecture 21 utilisée dans la nouvelle affectation. L’Homme du métier comprendra qu’une telle réaffectation de composants électroniques dépend du type des cellules de lecture 21 du circuit 20 et des caractéristiques qui sont désirées pour celles des cellules de lecture 21 qui restent utilisées.
Le circuit de détection 10 et le circuit de lecture 20 peuvent alors être fabriqués chacun en appliquant les modifications de connexions électriques objets de l’invention, pour l’un au moins de ces deux circuits. Ils peuvent être fabriqués en mettant en œuvre les procédés connus de l’Homme du métier de la fabrication des circuits intégrés, y compris des étapes de dépôts de matériaux, masquage, gravure, métallisation, etc. Puis les circuits 10 et 20 sont assemblés l’un à l’autre comme décrit plus haut.
Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires de la description détaillée qui vient d’être donnée, tout en conservant certains au moins des avantages qui ont été cités. Parmi les aspects secondaires qui ne sont pas directement reliés aux buts ni à la reproduction de l’invention, et qui peuvent être modifiés, on peut rappeler les suivants : - le type de composants qui constituent les éléments photosensibles 11, - le type des cellules de lecture 21, - le type du substrat qui est utilisé pour le circuit de détection 10, - le type de séquence qui est mis en œuvre pour un fonctionnement de saisie d’image par le capteur 100, - la localisation des connexions électriques qui sont modifiées selon l’invention, -le type des connexions d’assemblage du circuit de détection 10 au circuit de lecture 20, -les dimensions du capteur d’image 100, en nombres de lignes et de colonnes, - les pas de lignes et de colonnes du capteur d’image 100, et - le type d’applications auxquelles le capteur d’image 100 est destiné.
Claims (11)
- REVEN DICATIONS1. Procédé de redimensionnement des entités de détection d’un capteur d’image matriciel hybride (100), ledit capteur d’image matriciel hybride comprenant : -un circuit de détection (10), comprenant une matrice d’éléments photosensibles (11) avec un pas de lignes et un pas de colonnes, chaque élément photosensible étant situé à une intersection d’une ligne et d’une colonne ; - un circuit de lecture (20), comprenant une matrice de cellules de lecture (21) qui possède le même pas de lignes et le même pas de colonnes que le circuit de détection (10), chaque cellule de lecture étant située à une intersection d’une des lignes et d’une des colonnes ; et - des connexions d’assemblage (30) du circuit de détection (10) au circuit de lecture (20), qui sont disposées entre ledit circuit de détection et ledit circuit de lecture, et qui sont conçues chacune initialement pour relier rigidement et électriquement, selon une affectation initiale de un-à-une, un seul des éléments photosensibles (11) à une seule des cellules de lecture (21) qui est destinée initialement audit élément photosensible, séparément des autres connexions d’assemblage afin de transférer à la cellule de lecture un signal de détection (Iphoto) qui est produit par l’élément photosensible sous l’effet d’un rayonnement (R) reçu, caractérisé en ce que des connexions électriques qui sont portées par le circuit de détection (10) ou par le circuit de lecture (20), et qui aboutissent aux connexions d’assemblage (30), sont modifiées par rapport à ladite affectation initiale de un-à-une, pour relier électriquement un sous-ensemble (SS) de plusieurs éléments photosensibles (111-115) adjacents à une seule des cellules de lecture (213) qui devient dédiée audit sous-ensemble d’éléments photosensibles, séparément d’autres sous-ensembles d’éléments photosensibles, de façon à former des entités de détection composées.
- 2. Procédé selon la revendication 1, suivant lequel les connexions électriques qui sont modifiées pour relier électriquement chaque sous-ensemble (SS) de plusieurs éléments photosensibles (111-115) à une seule des cellules de lecture (213) qui devient dédiée audit sous-ensemble d’éléments photosensibles, appartiennent à des niveaux de métallisation (19, 29) du circuit de détection (10) ou du circuit de lecture (20).
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, suivant lequel les connexions électriques qui sont portées par le circuit de détection (10) ou par le circuit de lecture (20) et qui sont modifiées pour former les entités de détection composées, sont modifiées de sorte que les sous-ensembles (SS) de plusieurs éléments photosensibles (H1-H5) adjacents qui sont reliés à des cellules de lecture (213) différentes, forment un motif de pavage qui est répété dans la matrice du circuit de détection (10), ou plusieurs motifs de pavage qui sont chacun répétés dans des zones respectives de la matrice du circuit de détection.
- 4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel certaines des connexions d’assemblage (30) peuvent en outre être modifiées ou supprimées, en plus des connexions électriques qui sont modifiées, pour relier électriquement chaque sous-ensemble (SS) d’éléments photosensibles (H1-H5) à la cellule de lecture (213) qui est dédiée audit sous-ensemble d’éléments photosensibles.
- 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel des connexions électriques supplémentaires qui sont portées par le circuit de lecture (20), sont modifiées en outre pour raccorder électriquement aux cellules de lecture (213) connectées aux sous-ensembles (SS) de plusieurs éléments photosensibles (H1-H5), selon une réaffectation de ressources du circuit de lecture, des composants électroniques qui appartenaient initialement à des cellules de lecture (21 -i, 212, 214, 215) mais dont lesdites cellules de lecture n’ont pas été dédiées à des sous-ensembles de plusieurs éléments photosensibles.
- 6. Procédé selon la revendication 5, suivant lequel les composants électroniques qui sont raccordés selon la réaffectation de ressources du circuit de lecture (20), sont des condensateurs, notamment des condensateurs d’intégration (24i, 242, 244, 245), des condensateurs de filtrage (25i, 252, 254, 255) ou des condensateurs de lecture (27i, 272, 274, 275), et de préférence des condensateurs qui sont contenus dans des niveaux de métallisation (29) du circuit de lecture.
- 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel le capteur d’image matriciel hybride (100) est destiné à une application spectrophotométrique ou à une application mixte de spectrophotométrie et d’imagerie.
- 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, suivant lequel le circuit de détection (10) est en matériau semi-conducteur silicium, ou comporte une couche active (A11) en alliage de mercure, cadmium et tellure, ou en alliage d’indium, galium et arsenic, ou en alliage d’indium et antimoine, dans laquelle sont formés les éléments photosensibles (11), ou comporte des structures de type super-réseaux.
- 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de fabrication du capteur d’image matriciel hybride (100), conformément aux connexions électriques modifiées de façon à ce que ledit capteur d’image matriciel hybride comporte les entités de détection composées.
- 10. Capteur d’image matriciel hybride (100), conçu et fabriqué en mettant en oeuvre un procédé de redimensionnement d’entités de détection qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes.
- 11. Capteur d’image matriciel hybride (100) selon la revendication 10, dans lequel le pas de lignes et le pas de colonnes des éléments photosensibles (11) dans la matrice du circuit de détection (10), sont identiques.
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