FR3094140A1 - Capteur d'images comprenant un filtre angulaire - Google Patents

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Abstract

CAPTEUR D'IMAGES COMPRENANT UN FILTRE ANGULAIRE La présente description concerne un capteur d'images (80) comprenant des photodétecteurs organiques (38) et un filtre angulaire (82) à moins de 20 µm des photodétecteurs. La présente description concerne également un procédé de fabrication d'un capteur d'images (80) comprenant la formation de photodétecteurs organiques (38) et d'un filtre angulaire (82) à moins de 20 µm des photodétecteurs. Figure pour l'abrégé : Fig. 5

Description

CAPTEUR D'IMAGES COMPRENANT UN FILTRE ANGULAIRE
La présente demande concerne un capteur d'images.
Un système d'acquisition d'images comprenant un capteur d'images, comprend généralement en outre un système optique, interposé entre la partie sensible du capteur d'images et l'objet à imager et qui permet de former une image nette de l'objet à imager sur la partie sensible du capteur d'images. Un système optique classique peut comprendre une succession de lentilles fixes ou mobiles selon l'axe optique du système d'acquisition d'images.
Pour certaines applications, il n'est pas possible de prévoir un tel système optique notamment pour des raisons d'encombrement.
Un objet d'un mode de réalisation est d'accroître la netteté de l'image acquise par le capteur d'images d'un système d'acquisition d'images en l'absence de système optique formant une image nette de l'objet à imager sur la partie sensible du capteur d'images.
Un autre objet d’un mode de réalisation est que la surface de la partie sensible du capteur d'images est supérieure au centimètre carré.
Un autre objet d’un mode de réalisation est que la distance entre l'objet à imager et la partie sensible du capteur d'images est inférieure au centimètre.
Un mode de réalisation prévoit un capteur d'images comprenant des photodétecteurs organiques et un filtre angulaire à moins de 20 µm des photodétecteurs.
Un mode de réalisation prévoit également un procédé de fabrication d'un capteur d'images comprenant la formation de photodétecteurs organiques et d'un filtre angulaire à moins de 20 µm des photodétecteurs.
Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend une face destinée à recevoir un rayonnement, lesdits photodétecteurs étant configurés pour détecter ledit rayonnement, le filtre angulaire recouvrant le capteur d'images et étant configuré pour bloquer les rayons dudit rayonnement dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la face est supérieure à un seuil et pour laisser passer des rayons dudit rayonnement dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la face est inférieure au seuil.
Selon un mode de réalisation, le filtre angulaire comprend une couche opaque audit rayonnement et une matrice d'ouvertures formées dans la couche, les ouvertures étant remplies d'air ou d'un matériau au moins partiellement transparent audit rayonnement.
Selon un mode de réalisation, pour chaque ouverture, le rapport entre la hauteur de l'ouverture, mesurée perpendiculairement à la face, et la largeur de l'ouverture, mesurée parallèlement à la face, varie de 1 à 10.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures sont agencées en rangées et en colonnes, le pas entre des ouvertures adjacentes d'une même rangée ou d'une même colonne variant de 10 µm à 60 µm.
Selon un mode de réalisation, la hauteur de chaque ouverture, mesurée selon une direction orthogonale à la face, varie de 1 µm à 1 mm.
Selon un mode de réalisation, la largeur de chaque ouverture, mesurée parallèlement à la face, varie de 5 µm à 30 µm.
Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend un substrat, un premier empilement de couches comprenant des transistors en couches minces et un deuxième empilement de couches comprenant les photodétecteurs.
Selon un mode de réalisation, le filtre angulaire est situé dans le substrat, entre le substrat et le premier empilement, dans le premier empilement ou entre le premier empilement et le deuxième empilement.
Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs sont reliés aux transistors du premier empilement par des vias traversant le filtre angulaire.
Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend un film d'encapsulation étanche à l’oxygène et à l’humidité recouvrant les photodétecteurs et le filtre angulaire recouvre les photodétecteurs, du côté des photodétecteurs opposé au premier empilement, entre les photodétecteurs et le film d'encapsulation.
Selon un mode de réalisation, le capteur d'images ou le procédé comprennent, en outre, des lentilles recouvrant les ouvertures.
Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs comprennent des photodiodes organiques.
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 représente un schéma électrique d'un exemple d'un capteur d'images ;
la figure 2 est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un exemple de capteur d'images de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en en coupe, partielle et schématique, du capteur d’images de la figure 2 ;
la figure 4 est une vue en en coupe, partielle et schématique, d'un exemple de capteur d'images comprenant un filtre angulaire ;
la figure 5 est une vue en en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un capteur d'images comprenant un filtre angulaire ;
la figure 6 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation du filtre angulaire représenté en figure 5 ;
la figure 7 est une vue de dessus, partielle et schématique, du filtre angulaire représenté en figure 6 ;
la figure 8 est une vue en en coupe agrandie, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un filtre angulaire ;
la figure 9 est une vue en en coupe agrandie, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un filtre angulaire ;
la figure 10 est une vue en en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un capteur d'images comprenant un filtre angulaire ;
la figure 11 est une vue en en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un capteur d'images comprenant un filtre angulaire ;
la figure 12 est une vue en en coupe, partielle et schématique, illustrant une étape d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur d'images représenté sur la figure 5 ;
la figure 13 illustre une autre étape du procédé ;
la figure 14 illustre une autre étape du procédé ;
la figure 15 illustre une autre étape du procédé ;
la figure 16 illustre une autre étape du procédé ;
la figure 17 illustre une autre étape du procédé ; et
la figure 18 illustre une autre étape du procédé.
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, le fonctionnement d'un capteur d'images n’a pas été détaillé, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les capteurs d'images usuels.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "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 sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à un capteur d'images dans une position normale d'utilisation. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement".
On appelle région active d'un photodétecteur, la région depuis laquelle est captée la majorité du rayonnement électromagnétique reçu par le photodétecteur. Dans la suite de la description, un composant optoélectronique est dit organique lorsque la région active du composant optoélectronique est en majorité, de préférence en totalité, en au moins un matériau organique ou un mélange de matériaux organiques.
La transmittance d'une couche correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche, les rayons du rayonnement entrant étant perpendiculaires à la couche. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %.
L'indice de réfraction d'un matériau correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images.
Dans la suite de la description, on appelle lumière visible un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 400 nm et 700 nm et on appelle rayonnement infrarouge un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1 mm. Dans le rayonnement infrarouge, on distingue notamment le rayonnement infrarouge proche dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1,4 µm.
La figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un capteur d'images 10. Le capteur d'images 10 comprend une matrice 11 d'éléments de détection 12, appelée matrice de détection par la suite. Les éléments de détection 12 peuvent être agencés en rangées et en colonnes. Chaque élément de détection 12 comprend un photodétecteur 14, par exemple une photodiode, et un élément de sélection 16, par exemple un transistor dont la source ou le drain est relié à une première électrode de la photodiode 14, par exemple la cathode. Le capteur d'images 10 comprend un circuit de sélection 18 comprenant, pour chaque rangée, une piste conductrice 20 reliée aux grilles des transistors 16 de sélection. Le capteur d'images 10 comprend en outre un circuit de lecture 22 comprenant, pour chaque colonne, une piste conductrice 24 reliée à la source ou au drain des transistors 16 de sélection de la colonne. En outre, les deuxièmes électrodes des photododiodes 14, par exemple les anodes, peuvent être reliées par des pistes conductrices 26 à une source 28 d'un potentiel de référence.
Les figures 2 et 3 sont respectivement une vue de dessus et une coupe latérale, partielles et schématiques, d’un exemple d’une matrice de détection 30 dont le schéma électrique équivalent peut correspondre à la matrice de détection 11 représentée en figure 1.
La matrice de détection 30 comprend du bas vers le haut en figure 3 :
- un support 31 qui peut avoir une structure monocouche ou multicouches et qui, en figure 3, comprend un substrat 32 recouvert d'une couche intermédiaire 33 ;
- un empilement 34 dans lequel sont formés des transistors en couches minces T, seuls deux transistors T étant représentés en figure 3 ;
- un empilement 35 dans lequel sont formés des photodétecteurs 38, par exemple des photodiodes organiques, également appelées OPD (sigle anglais pour Organic PhotoDiode), l'empilement 35 comprenant des électrodes inférieures 36, chaque électrode 36 étant reliée à l'un des transistors T, une couche 37 au contact des électrodes 36 et dans laquelle sont formées les régions actives des photodiodes 38 et une électrode supérieure 40 au contact de la couche 37, seules deux photodiodes 38 et deux électrodes 36 étant représentées en figure 3 ;
- une couche d'un matériau adhésif 42 ; et
- un revêtement 44.
Chaque photodiode 38 comprend une région active 46 correspondant à la portion de la couche 37 interposée entre l'électrode 36 associée à la photodiode 38 et l'électrode 40. A titre de variante, chaque photodiode organique 38 peut comprendre une première couche d'interface au contact de l'une des électrodes 36, la région active 46 au contact de la première couche d'interface, et une deuxième couche d'interface au contact de la région active 46, l'électrode 40 étant au contact de la deuxième couche d'interface.
Selon le présent exemple, l'empilement 34 comprend :
- des pistes conductrices électriquement 50, 51 reposant sur le support 31, les pistes 50 formant les conducteurs de grille des transistors T, ce qui correspond aux pistes 20 du schéma électrique équivalent de la figure 1, et les pistes 51 étant reliées aux drains ou aux sources des transistors T ;
- une couche 52 d'un matériau diélectrique recouvrant les pistes 50, 51 et le support 31 entre les pistes 50, 51 et formant les isolants de grille des transistors T ;
- des régions actives 54 reposant sur la couche diélectrique 52 en vis-à-vis des conducteurs de grille 50 ;
- des pistes conductrices électriquement 56 s'étendant sur la couche diélectrique 52 formant les contacts de drain et de source des transistors T, et correspondant notamment aux pistes 24 du schéma électrique équivalent de la figure 1, certaines des pistes 56 reliant les régions actives 54 aux électrodes 36 et certaines des pistes 56 étant reliées électriquement aux pistes 51 par l'intermédiaire de vias conducteurs électriquement 57 s'étendant au travers de la couche 52 ; et
- une couche 58 d'un matériau diélectrique recouvrant les régions actives 54 et les pistes conductrices électriquement 56, les électrodes 36 reposant sur la couche 58 et étant connectées à certaines des pistes conductrices 56 par des vias conducteurs 60 traversant la couche isolante 58 et l'électrode 40 étant connectée à certaines des pistes conductrices 51 par des vias conducteurs, non représentés sur les figures 2 et 3, traversant les couches isolantes 58 et 52.
En figure 3, les transistors T sont représentés avec une structure dite à grille basse. A titre de variante, les transistors T peuvent être du type à grille haute.
Lorsqu'au moins une couche d'interface est présente au contact de la région active 46, cette couche d'interface peut correspondre à une couche injectrice d'électrons ou à une couche injectrice de trous. Le travail de sortie de chaque couche d'interface est adapté à bloquer, collecter ou injecter des trous et/ou des électrons suivant que cette couche d'interface joue le rôle d'une cathode ou d'une anode. Plus précisément, lorsque la couche d'interface joue le rôle d'anode, elle correspond à une couche injectrice de trous et bloqueuse d'électrons. Le travail de sortie de la couche d'interface est alors supérieur ou égal à 4,5 eV, de préférence supérieur ou égal à 5 eV. Lorsque la couche d'interface joue le rôle de cathode, elle correspond à une couche injectrice d'électrons et bloqueuse de trous. Le travail de sortie de la couche d'interface est alors inférieur ou égal à 4,5 eV, de préférence inférieur ou égal à 4,2 eV. Dans le présent mode de réalisation, l'électrode 36 ou 40 joue de façon avantageuse directement le rôle de couche injectrice d'électrons ou de couche injectrice de trous pour la photodiode 38 et il n'est pas nécessaire de prévoir, pour la photodiode 38, de couche d'interface au contact de la région active 46 et jouant le rôle d'une couche injectrice d'électrons ou d'une couche injectrice de trous.
La figure 4 est une coupe latérale d'un exemple de capteur d'images 70. Le capteur d'images 70 comprend la matrice de détection 30 représentée sur les figures 2 et 3 et comprend en outre un filtre angulaire 72 correspondant à un film opaque 74 traversé par des ouvertures 76. Le film opaque 74 est fixé au revêtement 44 par laminage en utilisant une couche d'un matériau adhésif 78. Le filtre angulaire 72 est adapté à filtrer les rayons lumineux en fonction de leur incidence de façon à améliorer la netteté des images acquises par le capteur d'images. L'angle d'incidence au-delà duquel les rayons incidents sont bloqués dépend notamment du rapport entre la hauteur et la largeur des ouvertures 76.
L'épaisseur de l'électrode supérieure 40 peut être de l'ordre de 500 nm. Les épaisseurs des couches de matériau adhésif 42, 78 peuvent être de l'ordre de 25 µm. L'épaisseur du revêtement 44 peut être de l'ordre de 50 µm. Un inconvénient du capteur d'images 70 représenté en figure 4 est alors que la distance entre le filtre angulaire 72 et les photodiodes 38 est généralement supérieure à 100 µm. Ceci peut imposer l'utilisation d'un rapport hauteur sur largeur élevé pour les ouvertures 76 du filtre angulaire 72 et rendre complexe la fabrication du filtre angulaire 72. En outre, l'utilisation d'un rapport hauteur sur largeur élevé entraîne une réduction de la transmittance du filtre angulaire 72, ce qui peut ne pas être souhaitable. Pour certaines applications, il est souhaitable de placer de façon précise les ouvertures 76 par rapport aux photodiodes 38. Un inconvénient du capteur d'images 70 est alors que l'alignement du filtre angulaire 72 par rapport aux photodiodes 38 nécessite la mise en oeuvre de techniques d'assemblage supplémentaires, ce qui augmente les coûts de fabrication du capteur d'images.
La figure 5 est une coupe latérale d'un mode de réalisation d'un capteur d'images 80. Le capteur d'images 80 comprend la matrice de détection 30 représentée sur les figures 2 et 3, à la différence qu'un filtre angulaire 82 est disposé entre le substrat 32 et l'empilement 34. Dans le présent mode de réalisation, le filtre angulaire 82 est disposé entre le substrat 32 et la couche intermédiaire 33. Le capteur d'images 80 est destiné à être éclairé du côté du substrat 32. Comme cela apparaît en figure 2, les pistes conductrices 50 reliées aux grilles des transistors T s'étendent entre les colonnes de photodiodes 38, et les pistes conductrices 56 reliées aux sources des transistors T s'étendent entre les rangées de photodiodes 38. De ce fait, les pistes 50, 56 peuvent ne pas être transparentes au rayonnement capté par les photodiodes 38 puisqu'elles ne recouvrent pas les photodiodes 38.
Le filtre angulaire 82 correspond à une couche 84, opaque au rayonnement capté par les photodétecteurs 38, et traversée par des ouvertures 86. Le filtre angulaire 82 comprend une face inférieure 88 orientée du côté du substrat 32 et une face supérieure 90 orientée du côté des photodiodes 38. Les faces 88, 90 sont de préférence sensiblement planes. Dans le présent mode de réalisation, la distance entre la face supérieure 90 du filtre angulaire 82 et les photodiodes 38 est inférieure à 20 µm, de préférence inférieure à 10 µm, plus préférentiellement inférieure à 6 µm.
Le filtre angulaire 82 est adapté à filtrer les rayons incidents en fonction de l’incidence des rayons par rapport à la face inférieure 88 du filtre angulaire 82, notamment pour que chaque photodétecteur 38 reçoive seulement les rayons dont l'incidence par rapport à un axe perpendiculaire à la face inférieure 88 du filtre angulaire 82 est inférieure à un angle d'incidence maximale inférieur à 45°, de préférence inférieur à 30°, plus préférentiellement inférieur à 20°, encore plus préférentiellement inférieur à 10°. Le filtre angulaire 82 est adapté à bloquer les rayons incidents dont l'incidence par rapport à un axe perpendiculaire à la face inférieure 88 du filtre angulaire 82 est inférieure à l'angle d'incidence maximale.
La matrice de détection 30 peut en outre comprendre un filtre polarisant, disposé par exemple sur le revêtement 44 ou sur le substrat 32 selon l'éclairement du capteur d'images. La matrice de détection 30 peut en outre comprendre des filtres de couleur en vis-à-vis des photodétecteurs 38 pour obtenir une sélection en longueur d'onde du rayonnement atteignant les photodétecteurs 38.
Les figures 6 et 7 sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus, partielles et schématiques, d'un mode de réalisation du filtre angulaire 82.
On appelle "h" la hauteur des ouvertures 86 mesurée depuis le substrat 32. La couche 84 est opaque au rayonnement détecté par les photodétecteurs 38, par exemple absorbante et/ou réfléchissante par rapport au rayonnement détecté par les photodétecteurs 38. Selon un mode de réalisation, la couche 84 est absorbante dans le visible et/ou le proche infrarouge et/ou l'infrarouge.
En figure 7, les ouvertures 86 sont représentées avec une section droite carrée. De façon générale, la section droite des ouvertures 86 dans la vue de dessus peut être circulaire, ovale ou polygonale, par exemple triangulaire, carrée ou rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures 86 sont disposées en rangées et en colonnes. Les ouvertures 86 peuvent avoir sensiblement les mêmes dimensions. On appelle "w" la largeur d'une ouverture 86 mesurée selon la direction des rangées ou des colonnes. Selon un mode de réalisation, les ouvertures 86 sont disposées régulièrement selon les rangées et selon les colonnes. On appelle "p" le pas de répétition des ouvertures 86, c'est-à-dire la distance en vue de dessus entre des centres de deux ouvertures 86 successives d'une rangée ou d'une colonne.
Le filtre angulaire 82 représenté sur les figures 6 et 7 laisse seulement passer les rayons du rayonnement incident dont l'incidence par rapport au substrat 32 est inférieure à un angle d'incidence maximale α, qui est défini par la relation (1) suivante :
[Math 1]
tan α = w/h (1)
Plus le rapport w/h est petit, plus l'angle d'incidence maximale α est petit. La transmittance à incidence nulle du filtre angulaire 82 est proportionnelle au rapport entre la surface transparente en vue de dessus et la surface absorbante du filtre angulaire 82. Pour des applications à faible niveau de lumière, il est souhaitable que la transmittance soit maximale pour augmenter la quantité de lumière collectée par le capteur d'images 80. Pour des applications à fort niveau de lumière, la transmittance peut être diminuée afin de ne pas éblouir le capteur d'images 80.
Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs 38 peuvent être répartis en rangées et en colonnes. Selon un mode de réalisation, le pas p des ouvertures 86 est plus petit que le pas des photodétecteurs 38 du capteur d'image 80. Dans ce cas, plusieurs ouvertures 86 peuvent se trouver en regard d'un photodétecteur 38, comme cela est représenté de façon schématique en figure 5. Selon un autre mode de réalisation, le pas p des ouvertures 86 est identique au pas des photodétecteurs 38 du capteur d'image 80. Le filtre angulaire 82 est alors de préférence aligné avec le capteur d'images 80 de façon que chaque ouverture 86 soit en regard d'un photodétecteur 38. Selon un autre mode de réalisation, le pas p des trous 64 est plus grand que le pas des photodétecteurs 38 du capteur d'image 80. Dans ce cas, plusieurs photodétecteurs 38 peuvent se trouver en regard d'une ouverture 86.
Le rapport h/w peut être compris entre 1 et 10. Le pas p peut être compris entre 10 µm et 60 µm, par exemple environ 15 µm. La hauteur h peut être comprise entre 1 µm e 1 mm, de préférence entre 20 µm et 100 µm. La largeur w peut être comprise entre 5 µm et 30 µm, par exemple environ 10 µm.
La figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'une variante du mode de réalisation représenté en figure 6, dans laquelle la section droite des ouvertures 86 n'est pas constante, la section droite diminuant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du substrat 32. A titre de variante, la section droite peut augmenter en s'éloignant du substrat 32, comprendre successivement une phase de diminution suivie d'une phase d'agrandissement en en s'éloignant du substrat 32, etc.
La figure 9 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation du filtre angulaire 82. Le filtre angulaire 82 comprend la structure représentée sur les figures 6 et 7 et comprend, en outre, pour chaque ouverture 86, une microlentille 92 reposant sur la couche 84 et recouvrant l'ouverture 86. Une couche de liaison 94 est disposée entre les microlentilles 92 et le substrat 32.
Chaque microlentille 92 permet, de façon avantageuse, d'augmenter la collection de rayons du rayonnement incident dont l'incidence est inférieure à un angle d'incidence maximale souhaité mais qui seraient bloqués par les parois des ouvertures 86 en l'absence de la microlentille 92. Un tel mode de réalisation est particulièrement adapté aux applications dans lesquelles le niveau de lumière est faible. Le matériau de remplissage des ouvertures 86 peut être le même que le matériau composant les microlentilles 92. Les microlentilles peuvent être des lentilles convergentes ayant chacune une distance focale f comprise entre 1 µm et 100 µm, de préférence entre 1 µm et 50 µm.
Le pas des microlentilles 92 peut être le même que le pas des photodétecteurs 38 ou plus petit. En présence de microlentilles 92, les ouvertures 86 du filtre angulaire 82 agissent essentiellement comme un micro-diaphragme optique entre les microlentilles 92 et les photodétecteurs 38 de sorte qu'il y a moins de contrainte sur le rapport de forme w/h des ouvertures 86 par rapport au cas où les microlentilles 92 ne sont pas présentes. L'angle d'incidence maximale est déterminé par la largeur w des ouvertures 86 et la courbure des microlentilles 92.
A titre de variante, chaque microlentille peut être remplacée par un autre type d'élément optique de taille micrométrique, notamment une lentille de Fresnel de taille micrométrique, une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou un réseau de diffraction de taille micrométrique.
La figure 10 est une coupe latérale d'un mode de réalisation d'un capteur d'images 95. Le capteur d'images 95 comprend l'ensemble des éléments du capteur d'images 80 représenté en figure 5, à la différence que le filtre angulaire 82 est situé dans l'empilement 34. Dans le présent mode de réalisation, le filtre angulaire 82 est situé dans une couche isolante 96 recouvrant la couche 58. La hauteur h des ouvertures 86 peut être égale ou inférieure à l'épaisseur de la couche isolante 96. La couche isolante 96 peut remplir les ouvertures 86. Les vias 60, qui relient les électrodes 36 à des pistes conductrices 56, traversent donc en outre le filtre angulaire 82 et la couche isolante 96. Le capteur d'images 95 est destiné à être éclairé du côté du substrat 32.
La figure 11 est une coupe latérale d'un mode de réalisation d'un capteur d'images 100. Le capteur d'images 100 comprend l'ensemble des éléments du capteur d'images 80 représenté en figure 5, à la différence que le filtre angulaire 82 est situé sur l'électrode 40, du côté de l'électrode 40 opposé aux photodétecteurs 38. Les ouvertures 86 peuvent être remplies par le matériau adhésif de la couche adhésive 42. Le capteur d'images 100 est destiné à être éclairé du côté du revêtement 44.
Le substrat 32 est en un matériau au moins partiellement transparent au rayonnement capté par les photodétecteurs 38. Le substrat 32 peut être un substrat rigide ou un substrat flexible. Le substrat 32 peut avoir une structure monocouche ou correspondre à un empilement d'au moins deux couches. Un exemple de substrat rigide comprend un substrat en silicium, en germanium ou en verre. De préférence, le substrat 32 est un film flexible. Un exemple de substrat flexible comprend un film en PEN (polyéthylène naphtalate), PET (polyéthylène téréphtalate), PI (polyimide), TAC (triacétate de cellulose), COP (copolymère cyclo-oléfine) ou PEEK (polyétheréthercétone). Le substrat 32 peut comprendre une couche inorganique, par exemple en verre, recouverte d'une couche organique, par exemple en PEN, PET, PI, TAC, COP. L'épaisseur du substrat 32 peut être comprise entre 5 µm et 1000 µm. Selon un mode de réalisation, le substrat 32 peut avoir une épaisseur de 10 µm à 500 µm, de préférence entre 20 µm et 300 µm, notamment de l'ordre de 75 µm, et présenter un comportement flexible, c'est-à-dire que le substrat 32 peut, sous l'action d'une force extérieure, se déformer, notamment se plier, sans se casser ou se déchirer.
La couche intermédiaire 33 peut être une couche sensiblement étanche à l’oxygène et à l’humidité afin de protéger les couches organiques de la matrice de détection 30. Il peut s'agir d'une couche ou de couches déposées par un procédé de dépôt de couches minces (ALD, sigle anglais pour Atomic Layer Deposition), par exemple une couche en Al2O3, de couches déposées par dépôt physique en phase vapeur (PVD, sigle anglais pour Physical Vapor Deposition) ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD, sigle anglais pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), par exemple en SiN ou en SiO2. La couche intermédiaire 33 peut avoir une structure monocouche ou correspondre à un empilement d'au moins deux couches, comprenant, par exemple, des couches organiques et des couches inorganiques.
Les pistes conductrices 50, 51, 56, l'électrode 40 (lorsque le capteur d'images est destiné à être éclairé du côté du substrat 32), et l'électrode 36 et le via 60 (lorsque le capteur d'images est destiné à être éclairé du côté du revêtement 44) peuvent être en un matériau métallique, par exemple l'argent (Ag), l'aluminium (Al), l'or (Au), le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le titane (Ti), le chrome (Cr) et le molybdène (Mo). Les pistes conductrices 50, 51, 56, l'électrode 40 (lorsque le capteur d'images est destiné à être éclairé du côté du substrat 32), et l'électrode 36 et le via 60 (lorsque le capteur d'images est destiné à être éclairé du côté du revêtement 44) peuvent avoir une structure monocouche ou multicouche.
Chaque couche isolante 52, 58, 96 de l'empilement 34 peut être en un matériau inorganique, par exemple en oxyde de silicium (SiO2) ou un nitrure de silicium (SiN), ou une couche organique isolante, par exemple en résine organique.
Selon un mode de réalisation, le matériau composant les électrodes 36, 40 est choisi parmi le groupe comprenant :
- les oxydes conducteurs transparents (TCO, sigle anglais pour Transparent Conductive Oxide), notamment l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO, sigle anglais pour Indium Tin Oxide), les oxydes de zinc et d'aluminium (AZO, acronyme anglais pour Aluminium Zinc Oxide), les oxydes de gallium et de zinc (GZO, acronyme anglais pour Gallium Zinc Oxide), l'oxyde de tungstène (WO3), l'oxyde de nickel (NiO), l'oxyde de vanadium (V2O5), l'oxyde de molybdène (MoO3), les alliages ITO/Ag/ITO, les alliages ITO/Mo/ITO, les alliages AZO/Ag/AZO ou les alliages ZnO/Ag/ZnO ;
- les métaux ou les alliages métalliques, par exemple l'argent (Ag), l'or (Au), le plomb (Pb), le palladium (Pd), le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le tungstène (W), le molybdène (Mo), l'aluminium (Al), ou le chrome (Cr) ou les alliages de magnésium et d'argent (MgAg) ;
- les nanofils de carbone, d'argent et/ou de cuivre ;
- le graphène ;
- les polymères conducteurs, notamment le polymère PEDOT:PSS, qui est un mélange de poly(3,4)-éthylènedioxythiophène et de polystyrène sulfonate de sodium, ou une polyaniline ; et
- les mélanges d'au moins deux de ces matériaux.
Lorsque la matrice de détection 30 est exposée à un rayonnement lumineux qui atteint les photodiodes 38 au travers du revêtement 44, l'électrode 40 et le revêtement 44 sont au moins en partie transparents au rayonnement électromagnétique capté par les photodiodes 38. L'électrode 40 est par exemple en TCO, ou en polymère dopé, par exemple en PEDOT:PSS. Les électrodes 36 et le substrat 32 peuvent alors être opaques au rayonnement électromagnétique capté par les photodiodes 38. Lorsque le rayonnement atteint les photodiodes 38 au travers du substrat 32, les électrodes 36 et le substrat 32 sont un matériau au moins en partie transparent au rayonnement électromagnétique capté par les photodiodes 38. Les électrodes 36 sont par exemple en TCO. L'électrode 40 peut alors être opaque au rayonnement électromagnétique capté par les photodiodes 38.
Lorsque le capteur d'images est éclairé du côté du revêtement 44, la couche de matériau adhésif 42 est transparente ou partiellement transparente à la lumière visible. La couche de matériau adhésif 42 est de préférence sensiblement étanche à l'air et à l'eau. Le matériau composant la couche de matériau adhésif 42 est choisi dans le groupe comprenant un polyépoxyde ou un polyacrylate. Parmi les polyépoxydes, le matériau composant la couche de matériau adhésif 42 peut être choisi parmi le groupe comprenant les résines époxy au bisphénol A, notamment le diglycidyléther du bisphénol A (DGEBA) et les diglycidyléther du bisphénol A et du tétrabromobisphénol A, les résines époxy au bisphénol F, les résines époxy novolaques, notamment les résines époxy-phénol-novolaques (EPN) et les résines époxy-crésol-novolaques (ECN), les résines époxy aliphatiques, notamment les résines époxy à groupes glycidiles et les époxydes cycloaliphatiques, les résines époxy glycidylamine, notamment les éthers de glycidyle de la méthylène dianiline (TGMDA), et un mélange d'au moins deux de ces composés. Parmi les polyacrylates, le matériau composant la couche de matériau adhésif 42 peut être réalisé à partir de monomères comprenant l'acide acrylique, le méthylméthacrylate, l'acrylonitrile, les méthacrylates, l'acrylate de méthyle, l'acrylate d'éthyl, le 2-chloroéthyl vinyl éther, l'acrylate de 2-éthylhexyle, le méthacrylate d'hydroxyéthyl, l'acrylate de butyle, le méthacrylate de butyle, le triacrylate de triméthylolpropane (TMPTA) et des dérivés de ces produits. Lorsque la couche de matériau adhésif 42 comprend au moins un polyépoxyde ou un polyacrylate, l'épaisseur de la couche de matériau adhésif 42 est comprise entre 1 µm et 50 µm, de préférence entre 5 µm et 40 µm, notamment de l'ordre de 15 µm.
Le revêtement 44 est un film flexible. Un exemple de film flexible comprend un film en PEN (polyéthylène naphtalate), PET (polyéthylène téréphtalate), PI (polyimide), TAC (triacétate de cellulose), COP (copolymère cyclo-oléfine) ou PEEK (polyétheréthercétone). L'épaisseur du revêtement 44 peut être comprise entre 5 µm et 1000 µm. Le revêtement 44 peut comprendre au moins une couche sensiblement étanche à l’oxygène et à l’humidité afin de protéger les couches organiques de la matrice de détection 30. Le revêtement 44 peut comprendre au moins une couche de SiN, par exemple déposée par PECVD et/ou une couche d'oxyde d'aluminium (Al2O3), par exemple déposée par ALD.
La couche 37 dans laquelle sont formées les photodiodes 38 peut comprendre des petites molécules, des oligomères ou des polymères. Il peut s'agir de matériaux organiques ou inorganiques. La couche 37 peut comprendre un matériau semiconducteur ambipolaire, ou un mélange d'un matériau semiconducteur de type N et d'un matériau semiconducteur de type P, par exemple sous forme de couches superposées ou d'un mélange intime à l’échelle nanométrique de façon à former une hétérojonction en volume. L'épaisseur de la couche 37 peut être comprise entre 50 nm et 2 µm, par exemple de l'ordre de 500 nm.
Des exemples de polymères semiconducteurs de type P adaptés à la réalisation de la couche 37 sont le poly(3-hexylthiophène) (P3HT), le poly[N-9’-heptadécanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thiényl-2’,1’,3’-benzothiadiazole)] (PCDTBT), le poly[(4,8-bis-(2-éthylhexyloxy)-benzo[1,2-b;4,5-b'] dithiophène)-2,6-diyl-alt-(4-(2-éthylhexanoyl)-thieno[3,4-b] thiophène))-2,6-diyl] (PBDTTT-C), le poly[2-méthoxy-5-(2-éthyl-hexyloxy)-1,4-phénylène-vinylène] (MEH-PPV) ou le poly[2,6-(4,4-bis-(2-éthylhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b;3,4-b′]dithiophène)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT).
Des exemples de matériaux semiconducteurs de type N adaptés à la réalisation de la couche 37 sont les fullerènes, notamment le C60, le [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle ([60]PCBM), le [6,6]-phényl-C71-butanoate de méthyle ([70]PCBM), le pérylène diimide, l'oxyde de zinc (ZnO) ou des nanocristaux permettant la formation de boîtes quantiques (en anglais quantum dots).
Lorsqu'elles sont présentes, l'épaisseur de chaque couche d'interface peut être comprise entre 0,1 nm et 1 µm. L'une des couches d’interface peut être réalisée en carbonate de césium (CsCO3), en oxyde métallique, notamment en oxyde de zinc (ZnO), ou en un mélange d'au moins deux de ces composés. L'une des couches d'interface peut comprendre une couche monomoléculaire auto-assemblée ou un polymère par exemple du (polyéthyléneimine, polyéthyléneimine éthoxylé, poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino) propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9–dioctylfluorene)]. L'autre couche d'interface peut être réalisée en oxyde de cuivre (CuO), en oxyde de nickel (NiO), en oxyde de vanadium (V2O5), en oxyde de magnésium (MgO), en oxyde de tungstène (WO3) ou en un mélange d'au moins deux de ces composés.
Les régions actives 54 peuvent être en silicium polycristallin, notamment du silicium polycristallin déposé à basse température (LTPS, sigle anglais pour Low Temperature Polycristalline Silicon), en silicium amorphe (aSi), en oxyde de zinc-gallium-indium (IGZO), en polymère, ou comprendre des petites molécules utilisées de façon connue pour la réalisation de transistors organiques en couches minces (OTFT, sigle anglais pour Organic Thin Film Transistor).
Selon un mode de réalisation, la couche 84 peut être en totalité en un matériau absorbant au moins pour les longueurs d'onde à filtrer angulairement. La couche 84 peut être en résine colorée, par exemple une résine SU-8 colorée ou noire. A titre d'exemple, la couche 84 peut être en une résine noire absorbant dans le domaine visible et le proche infrarouge. Les ouvertures 86 peuvent être remplies d'air ou remplies d'un matériau au moins partiellement transparent au rayonnement détecté par les photodétecteurs 38, par exemple du polydiméthylsiloxane (PDMS). A titre de variante, les ouvertures 86 peuvent être remplies par un matériau partiellement absorbant afin de filtrer chromatiquement les rayons filtrés angulairement par le filtre angulaire 82. Le filtre angulaire 82 peut alors jouer en outre le rôle d'un filtre coloré. Ceci permet de réduire l'épaisseur du système par rapport au cas où un filtre coloré distinct du filtre angulaire 82 serait présent. Le matériau de remplissage partiellement absorbant peut être une résine coloré ou un matériau plastique coloré comme le PDMS. Le matériau de remplissage des ouvertures 86 peut être adapté afin d'avoir une adaptation d'indice de réfraction avec les couches en contact avec le filtre angulaire 82, ou bien pour rigidifier la structure et améliorer la tenue mécanique du filtre angulaire 82.
Lorsque des microlentilles 92 sont présentes, les microlentilles 92 peuvent être réalisées en silice, en poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), en une résine photosensible positive, en PET, en PEN, en COP, en mélange de polydiméthylsiloxane (PDMS) et de silicone, ou en résine époxy. Les microlentilles 14 peuvent être formées par fluage de blocs d'une résine photosensible. Les microlentilles 14 peuvent en outre être formées par moulage sur une couche de PET, PEN, COP, PDMS/silicone ou résine epoxy.
La couche de liaison 94 peut être obtenue à partir d’un adhésif optiquement transparent (OCA, sigle anglais pour Optically Clear Adhesive), notamment un adhésif optiquement transparent liquide (LOCA, sigle anglais pour Liquid Optically Clear Adhesive), d'un matériau à bas indice de réfraction, d'une colle epoxy/acrylate, ou d'un film d'un gaz ou d'un mélange gazeux, par exemple de l'air . De préférence, lorsque la couche de liaison 94 épouse la forme des microlentilles 92, la couche 94 est en un matériau ayant un bas indice de réfraction, inférieur à celui du matériau des microlentilles 92. La couche 94 peut être en un matériau de remplissage qui est un matériau transparent non adhésif. Selon un autre mode de réalisation, la couche 94 correspond à un film contre lequel est appliquée la matrice de microlentilles 92, par exemple un film OCA. Dans ce cas, la zone de contact entre la couche 94 et les microlentilles 92 peut être réduite, par exemple limitée aux sommets des microlentilles. La couche 94 peut être alors composée d'un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé que dans le cas où la couche 94 épouse la forme des microlentilles 96.
Selon les matériaux considérés, le procédé de formation d'au moins certaines couches du capteur d'images peut correspondre à un procédé dit additif, par exemple par impression directe du matériau composant les couches organiques aux emplacements souhaités notamment sous forme de sol-gel, par exemple par impression par jet d'encre, héliographie, sérigraphie, flexographie, revêtement par pulvérisation (en anglais spray coating) ou dépôt de gouttes (en anglais drop-casting). Selon les matériaux considérés, le procédé de formation des couches du capteur d'images peut correspondre à un procédé dit soustractif, dans lequel le matériau composant les couches organiques est déposé sur la totalité de la structure et dans lequel les portions non utilisées sont ensuite retirées, par exemple par photolithographie ou ablation laser. Il peut s'agir notamment de procédés du type dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (en anglais slot-die coating), revêtement à la lame (en anglais blade-coating), flexographie ou sérigraphie. Lorsque les couches sont métalliques, le métal est, par exemple, déposé par évaporation ou par pulvérisation cathodique sur l'ensemble du support et les couches métalliques sont délimitées par gravure.
De façon avantageuse, au moins certaines des couches du capteur d'images peuvent être réalisées par des techniques d'impression. Les matériaux de ces couches décrites précédemment peuvent être déposés sous forme liquide, par exemple sous forme d'encres conductrices et semiconductrices à l'aide d'imprimantes à jet d'encre. Par matériaux sous forme liquide, on entend ici également des matériaux en gel déposables par des techniques d'impression. Des étapes de recuit sont éventuellement prévues entre les dépôts des différentes couches, mais les températures de recuit peuvent ne pas dépasser 150°C, et le dépôt et les éventuels recuits peuvent être réalisés à la pression atmosphérique.
Les figures 12 à 16 sont des vues en coupe des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur d'images 80 représenté en figure 5, comprenant les étapes successives suivantes :
a) formation du substrat 32, comprenant par exemple un empilement de deux couches 102, 104 (figure 12) ;
b) dépôt d'une couche de résine colorée 84 sur le substrat 32 dont l'épaisseur est sensiblement égale à la hauteur h (figure 13) ;
c) impression des motifs des ouvertures 86 dans la couche de résine 84 par photolithographie et développement de la couche de résine pour former les ouvertures 86 (figure 14) ;
d) remplissage des ouvertures 86 (figure 15) ;
e) formation de la couche intermédiaire 33 (figure 16) ;
f) formation de l'empilement 34 à transistors (figure 17) ; et
g) formation de l'empilement 35 des couches associées aux photodiodes (figure 18).
Les étapes finales du procédé comprennent notamment l'application du revêtement 44 et de la couche 42 de matériau adhésif.
Un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur d'images 95 représenté en figure 10 comprend les étapes décrites précédemment en relation avec les figures 12 à 18 à la différence que les étapes b), c) et d) sont réalisées après l'étape f). Un avantage des procédés de fabrication des capteurs d'images 80 et 95 est que la couche opaque 84 du filtre angulaire 82 n'est pas déposée au contact de la couche 37, le solvant utilisé pour le dépôt de la couche opaque 84 pouvant dégrader la couche 37.
Un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur d'images 100 représenté en figure 11 comprend les étapes décrites précédemment en relation avec les figures 12 à 18 à la différence que les étapes b), c) et d) sont réalisées après l'étape g) et avant l'application du revêtement 44 et de la couche 42 de matériau adhésif. Un avantage des procédés de fabrication des capteurs d'images 80, 95 et 100 est que la couche opaque 84 du filtre angulaire 82 n'est pas déposée au contact du revêtement 44, les étapes de formation des ouvertures 86 pouvant dégrader le revêtement 44.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. En particulier, les modes de réalisation du filtre angulaire 82 représentés sur les figures 6, 7, 8 et 9 peuvent être mises en oeuvre avec l'un quelconque des capteurs d'images représentés sur les figures 5, 10 et 11. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (14)

  1. Capteur d'images (80 ; 95 ; 100) comprenant des photodétecteurs organiques (38) et un filtre angulaire (82) à moins de 20 µm des photodétecteurs.
  2. Procédé de fabrication d'un capteur d'images (80 ; 95 ; 100) comprenant la formation de photodétecteurs organiques (38) et d'un filtre angulaire (82) à moins de 20 µm des photodétecteurs.
  3. Capteur d'images ou procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel le capteur d'images comprend une face destinée à recevoir un rayonnement, lesdits photodétecteurs (38) étant configurés pour détecter ledit rayonnement, le filtre angulaire (82) recouvrant le capteur d'images et étant configuré pour bloquer les rayons dudit rayonnement dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la face est supérieure à un seuil et pour laisser passer des rayons dudit rayonnement dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la face est inférieure au seuil.
  4. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 3, dans lequel le filtre angulaire (82) comprend une couche (84) opaque audit rayonnement et une matrice d'ouvertures (86) formées dans la couche, les ouvertures étant remplies d'air ou d'un matériau au moins partiellement transparent audit rayonnement.
  5. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 4, dans lequel, pour chaque ouverture (86), le rapport entre la hauteur de l'ouverture, mesurée perpendiculairement à la face, et la largeur de l'ouverture, mesurée parallèlement à la face, varie de 1 à 10.
  6. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les ouvertures (86) sont agencées en rangées et en colonnes, le pas entre des ouvertures adjacentes d'une même rangée ou d'une même colonne variant de 10 µm à 60 µm.
  7. Capteur d'images ou procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la hauteur de chaque ouverture (86), mesurée selon une direction orthogonale à la face, varie de 1 µm à 1 mm.
  8. Capteur d'images ou procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel la largeur de chaque ouverture (86), mesurée parallèlement à la face, varie de 5 µm à 30 µm.
  9. Capteur d'images ou procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le capteur d'images (80 ; 95 ; 100) comprend un substrat (32), un premier empilement de couches (34) comprenant des transistors (T) en couches minces et un deuxième empilement (35) de couches comprenant les photodétecteurs (38).
  10. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 9, dans lequel le filtre angulaire (82) est situé dans le substrat (32), entre le substrat (32) et le premier empilement (34), dans le premier empilement (34) ou entre le premier empilement et le deuxième empilement (35).
  11. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel les photodétecteurs (38) sont reliés aux transistors du premier empilement par des vias (60) traversant le filtre angulaire (82).
  12. Capteur d'images ou procédé selon la revendication 9, dans lequel le capteur d'images comprend un film d'encapsulation (44) étanche à l’oxygène et à l’humidité recouvrant les photodétecteurs (38), et dans lequel le filtre angulaire (82) recouvre les photodétecteurs (38), du côté des photodétecteurs opposé au premier empilement (34), entre les photodétecteurs et le film d'encapsulation (44).
  13. Capteur d'images ou procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, comprenant, en outre, des lentilles (92) recouvrant les ouvertures (86).
  14. Capteur d'images selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les photodétecteurs (38) comprennent des photodiodes organiques.
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