FR3139412A1 - Capteur d’images - Google Patents

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Jérôme Vaillant
François Deneuville
Axel Crocherie
Alain Ostrovsky
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Abstract

Capteur d’images La présente description concerne un capteur d’images (100) formé dans et sur un substrat semiconducteur (101), le capteur comprenant une pluralité de pixels (P) comprenant chacun un photodétecteur (103) formé dans le substrat, le capteur comprenant en outre au moins des première (MS1) et deuxième (MS2) métasurfaces bidimensionnelles superposées, dans cet ordre, en vis à vis de ladite pluralité de pixels, chaque métsurface étant constituée d’un réseau bidimensionnel de plots (1091, 1092), la première métasurface ayant une première fonction optique et la deuxième métasurface ayant une deuxième fonction optique différente de la première fonction optique. Figure pour l'abrégé : Fig. 1A

Description

Capteur d’images
La présente description concerne de façon générale les capteurs d’images.
Un capteur d’images comprend classiquement une pluralité de pixels, par exemple agencés en matrice selon des rangées et des colonnes, intégrés dans et sur un substrat semiconducteur. Chaque pixel comprend classiquement un photodétecteur, par exemple une photodiode, formé dans le substrat semiconducteur.
Pour certaines applications, des éléments optiques, par exemple des éléments de focalisation, des éléments de filtrage de longueur d’onde, ou encore des éléments de filtrage de polarisation, peuvent être placés en vis à vis des photodétecteurs.
Il serait souhaitable d’améliorer au moins en partie certains aspects des capteurs d’images connus.
Pour cela, un mode de réalisation prévoit un capteur d’images formé dans et sur un substrat semiconducteur, le capteur comprenant une pluralité de pixels comprenant chacun un photodétecteur formé dans le substrat, le capteur comprenant en outre au moins des première et deuxième métasurfaces bidimensionnelles superposées, dans cet ordre, en vis à vis de ladite pluralité de pixels, chaque métsurface étant constituée d’un réseau bidimensionnel de plots, la première métasurface ayant une première fonction optique et la deuxième métasurface ayant une deuxième fonction optique différente de la première fonction optique.
Selon un mode de réalisation, les première et deuxième métasurfaces sont à une distance du substrat semiconducteur inférieure à 500 µm, par exemple inférieure à 100 µm.
Selon un mode de réalisation, la première métasurface est à une distance du substrat semiconducteur comprise entre 1 et 50 µm, et la deuxième métasurface est à une distance de la première métatsurface comprise entre 1 et 50 µm.
Selon un mode de réalisation, les plots de la première métasurface et les plots de la deuxième métasurface sont en silicium amorphe.
Selon un mode de réalisation, les plots de la première métasurface et les plots de la deuxième métasurface sont entourés latéralement d’oxyde de silicium.
Selon un mode de réalisation, les plots des première et deuxième métasurfaces ont des dimensions latérales sub-longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation, la première fonction optique est une fonction de routage de la lumière incidente en fonction de son état de polarisation, et la deuxième fonction optique est une fonction de focalisation de la lumière vers les photodétecteurs des pixels sous-jacents.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre une couche de filtres couleur entre la première métasurface et le substrat.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre une couche de filtres couleur au-dessus de la deuxième métasurface.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend en outre, au-dessus de la deuxième métasurface, une troisième métasurface adaptée à mettre en oeuvre une fonction optique de routage de la lumière incidente en fonction de sa longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation, la première fonction optique est une fonction de routage de la lumière incidente en fonction de son état de polarisation, et la deuxième fonction optique est une fonction de routage et de focalisation de la lumière vers les photodétecteurs des pixels sous-jacents, en fonction de sa longueur d’onde.
Selon un mode de réalisation, en vue de dessus, les plots de la première métasurface et/ou les plots de la deuxième métasurface ont des formes asymétriques, par exemple rectangulaires ou elliptiques.
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 et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe d’un exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ;
la et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe d’un autre exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ;
la et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe d’un autre exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ;
la est une vue en coupe d’un autre exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ;
la est une vue en coupe d’un autre exemple d’un capteur d’images selon un mode de réalisation ; et
la , la , la , la , la et la sont des vues en coupe illustrant de façon schématique et partielle des étapes d’un exemple d’un procédé de fabrication d’un capteur d’images selon un mode de réalisation.
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 étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les photodétecteurs et les circuits électroniques de contrôle des capteurs d’images décrits n’ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles de ces éléments. En outre, les applications que peuvent avoir les capteurs d’images décrits n’ont pas été détaillées.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
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.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Selon un aspect des modes de réalisation décrits, on prévoit un capteur d’images formé dans et sur un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, par exemple en silicium monocristallin. Le capteur comprend une pluralité de pixels, par exemple agencés en matrice selon les lignes et des colonnes, chaque pixel comprenant un photodétecteur formé dans le substrat.
Le capteur comprend en outre au moins des première et deuxième métasurfaces bidimensionnelles (2D) superposées en vis à vis de ladite pluralité de pixels. Chaque métasurface est constituée d’un réseau bidimensionnel de plots d’un premier matériau entourés latéralement par un deuxième matériau. Les plots de chaque métasurface ont des dimensions latérales sub-longueur d’onde, c’est à dire que la plus grande dimension latérale de chaque plot est inférieure à la longueur d’onde principale destinée à être mesurée par le pixel sous-jacent, c’est à dire la longueur d’onde pour laquelle le rendement quantique du pixel est maximal. Par exemple, pour des pixels destinés à mesurer des rayonnements visibles ou proche infrarouge, par exemple des rayonnements de longueur d’onde inférieure à 1 µm, la plus grande dimension de chaque plot est comprise entre 10 et 500 nm, par exemple entre 30 et 300 nm.
Les première et deuxième métasurfaces sont adaptées à mettre en oeuvre des fonctions optiques différentes. Par exemple, la première métasurface est adaptée à mettre en oeuvre une première fonction optique de routage, de filtrage ou de focalisation, et la deuxième métasurface est adaptée à mettre en oeuvre une deuxième fonction optique de routage, de filtrage ou de focalisation, différente de la première fonction.
En pratique, chaque métasurface comprend, en vis à vis de chaque pixel, une pluralité de plots de dimensions latérales variées. Le dimensionnement et la disposition des plots sont définis en fonction de la fonction optique que l’on cherche à réaliser. Par exemple, pour réaliser une fonction de routage de polarisation ou routage ou de focalisation de lumière polarisée, on peut prévoir des plots présentant, en vue de dessus, des formes asymétriques, par exemple rectangulaires ou elliptiques. Le motif de chaque métasurface peut être défini au moyen d’outil de simulation électromagnétique, par exemple, en utilisant des méthodes de conception inverse, par exemple du type décrit dans l’article intitulé « Phase-to-pattern inverse design paradigm for fast realization of functional metasurfaces via transfer learning » de Zhu, R., Qiu, T., Wang, J. et al. Nat Commun 12, 2974 (2021), ou dans l’article intitulé « Matrix Fourier optics enables a compact full-Stokes polarization camera » de Rubin et al. (SCIENCE - Volume 365 - Issue 6448 - 5 July 2019).
Les plots de chaque métasurface ont de préférence tous la même hauteur, par exemple inférieure à la longueur d’onde principale destinée à être mesurée par chaque pixel, par exemple comprise entre 50 et 500 nm pour des rayonnements de longueur d’onde inférieure à 1 µm. La prévision de plots de hauteur constante sur toute la surface du capteur permet avantageusement de simplifier la fabrication des métasurfaces.
On notera qu’il a déjà été proposé de disposer une métasurface en vis à vis d’un capteur d’images, en champ lointain, c’est à dire à une distance relativement élevée de la face d’éclairement du substrat semiconducteur du capteur, pour mettre en oeuvre une fonction optique de traitement, par exemple de routage ou de focalisation, des rayons lumineux transmis au capteur. La métasurface est alors fabriquée séparément du capteur, sur un substrat spécifique, distinct du substrat semiconducteur du capteur. La métasurface est ensuite intégrée à un système optique disposé en vis à vis du capteur lors d’une phase d’assemblage. Dans ce cas, les contraintes de fabrication de la métasurface, et en particulier les contraintes relatives au dimensionnement et au positionnement des plots de la métasurface, sont décorrélées des contraintes de fabrication du capteur d’images.
Selon un aspect des modes de réalisation décrits, on prévoit ici d’intégrer au moins deux métasurfaces superposées au capteur d’images, à l’échelle des pixels du capteur. Autrement dit, dans les modes de réalisation décrits, les métasurfaces sont formées sur le substrat semiconducteur du capteur, à une distance relativement faible de la face d’éclairement du substrat, par exemple à une distance inférieure à 100 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de la face d’éclairement du substrat. A titre d’exemple, la première métasurface est disposée à une distance comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm, de la face d’éclairement du substrat, et la deuxième métasurface est disposée du côté de la première métasurface opposé au substrat, par exemple à une distance comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm, de la première métasurface.
Le fait de décomposer la fonction optique globale recherchée en plusieurs fonctions optiques élémentaires distinctes mises en oeuvre respectivement par plusieurs métasurfaces superposées, permet de simplifier la conception et la fabrication des métasurfaces par rapport à une métasurface unique mettant en oeuvre une fonction optique complexe. Ceci permet en particulier une intégration des métasurfaces directement sur le substrat semiconducteur du capteur, à l’échelle des pixels du capteur. En particulier, ceci permet de rendre l’intégration des métasurfaces compatible avec les contraintes des procédés de microélectronique classiquement utilisés pour la fabrication d’un capteur d’images.
La qualité des images acquises au moyen du capteur s’en trouve améliorée et/ou l’assemblage du capteur dans un dispositif final, par exemple une caméra, s’en trouve simplifiée. En particulier, ceci permet par exemple de réduire la complexité d’éventuels systèmes optiques en champ lointain disposés en vis à vis de capteur.
La et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d’un capteur d’images 100 selon un mode de réalisation.
Le capteur 100 comprend un substrat semiconducteur 101 ( ) dans et sur lequel sont formés une pluralité de pixels P. Le substrat 101 est par exemple en silicium, par exemple en silicium monocristallin. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à cet exemple particulier. A titre de variante, le capteur 100 peut être réalisé à base d’un substrat en un matériau semiconducteur de type III-V, d’un film quantique, ou de tout matériau photosensible connu, organique ou inorganique.
Chaque pixel comprend un photodétecteur 103, par exemple une photodiode, formé dans le substrat 101.
Dans l’exemple représenté, des tranchées ou murs d’isolation 105, s’étendant verticalement dans le substrat 101, séparent latéralement les uns des autres, électriquement et/ou optiquement, les photodétecteurs 103 des pixels.
Dans cet exemple, le capteur 100 comprend en outre une couche 107, par exemple une couche isolante de passivation, disposée sur et en contact avec la face supérieure du substrat.
Dans cet exemple, le capteur 100 est un capteur à éclairement par la face arrière ou capteur BSI (de l’anglais « Back Side Illumination »), c’est à dire que les rayons lumineux en provenance de la scène à imager atteignent le substrat 101 par sa face arrière, c’est à dire sa face opposée à un empilement d’interconnexion (non visible sur les figures) comprenant des éléments d’interconnexion des pixels du capteur, à savoir sa face supérieure dans l’orientation des figures. Les modes de réalisation décrits s’appliquent toutefois également à des capteurs à éclairement par la face avant ou capteur FSI (de l’anglais « Front Side Illumination »), c’est à dire des capteurs dans lesquels le susbtrat est destiné à être éclairé par sa face en contact avec l’empilement d’interconnexion.
Par soucis de simplification seuls les photodétecteurs 103 des pixels P ont été représentés sur la . Dans cet exemple, les pixels P sont agencés en matrice selon des lignes et des colonnes. Les pixels P du capteur sont par exemple tous identiques, aux dispersions de fabrication près, ou similaires.
Le capteur 100 de la comprend en outre deux métasurfaces MS1 et MS2 superposées, dans cet ordre, en vis à vis de la matrice de pixels P.
Dans cet exemple, la métasurface MS2, la plus éloignée du substrat 101, a une fonction de routage de polarisation c’est à dire une fonction de trieur de polarisation, et la métasurface MS1, située entre la métasurface MS2 et le substrat 101, a une fonction de focalisation de la lumière vers les photodétecteurs 103 du capteur.
Dans cet exemple, le capteur 100 est un capteur polarimétrique, adapté à mesurer, au moyen de pixels P distincts, des intensités de rayonnements lumineux reçus selon des polarisations différentes.
Plus particulièrement, dans cet exemple, les pixels P du capteur sont répartis en macropixels M constitués chacun par une sous-matrice de 2x2 pixels P adjacents. Les macropixels M. Les macropixels M du capteur sont par exemple tous identiques, aux dispersions de fabrication près, ou similaires.
Dans cet exemple, les quatre pixels P d’un même macropixel M sont destinés à mesurer des intensités de rayonnements lumineux reçus selon respectivement quatre orientations de polarisation différentes, par exemple des polarisations linéaires selon respectivement quatre directions formant respectivement des angles de 0°, 90°, +45° et -45° par rapport à une direction de référence. On appelle ici PS1, PS2, PS3 et PS4 les états de polarisation destinés à être mesurés respectivement par les quatre pixels P de chaque macropixel.
La portion MS2Mde la métasurface MS2 située à la verticale de chaque macropixel M, présente un motif adapté à mettre en oeuvre une fonction de routage des rayons lumineux reçus selon les quatre états de polarisation PS1, PS2, PS3 et PS4 vers respectivement les quatre pixels P(1), P(2), P(3) et P(4) du macropixel. Par fonction de routage, aussi appelé triage, on entend ici que tout le flux lumineux reçu par la portion MS2Mde la métasurface MS2, de surface sensiblement égale à la surface totale du macropixel M, est trié selon respectivement les quatre états de polarisation PS1, PS2, PS3 et PS4. Les composantes du flux incident polarisées selon les états PS1, PS2, PS3 et PS4 sont déviées vers respectivement les pixels P(1), P(2), P(3) et P(4) du macropixel. A titre d’exemple, le flux lumineux reçu est trié selon deux états de polarisations orthogonaux respectivement PS1 et PS2 ou PS3 et PS4. Un photon arrivant au-dessus de PS1/PS2 sera alors trié en PS1 ou PS2, et un photon arrivant au-dessus de PS3/PS4 sera trié en PS3 ou PS4.
Par rapport à un capteur polarimétrique à base de filtres polariseurs, ceci permet avantageusement d’améliorer le rendement quantique du capteur dans la mesure où la totalité du flux collecté en vis à vis de chaque macropixel M est transmis vers les quatre pixels P(1), P(2), P(3) et P(4) du macropixel.
Le motif de la portion MS2Mde la métasurface MS2 peut être répété à l’identique (aux dispersions de fabrication près) en vis à vis de tous les macropixels M du capteur. A titre de variante, le motif de la portion MS2Mpeut varier d’un macropixel M à l’autre, en fonction de la position du macropixel sur le capteur, pour tenir compte notamment de la direction principale d’incidence des rayons arrivant sur la métasurface MS2 en provenance de la scène à imager.
La portion MS1Pde la métasurface MS1 située à la verticale de chaque pixel P, présente un motif adapté à mettre en oeuvre une fonction de focalisation des rayons lumineux reçus vers le photodétecteur 103 du pixel sous-jacent. Autrement dit, la portion MS1Pde la métasurface MS1 située à la verticale de chaque pixel P se comporte comme une microlentille focalisant vers le photodétecteur 103 du pixel les rayons transmis par la portion MS2Mde la métasurface MS2, recouvrant le macropixel M auquel appartient le pixel.
Le motif de la portion MS1Pde la métasurface MS1 peut être répété à l’identique (aux dispersions de fabrication près) en vis à vis de tous les pixels P du capteur. A titre de variante, le motif de la portion MS2Mpeut varier d’un pixel P à l’autre, en fonction de la position du macropixel sur le capteur, pour tenir compte, par exemple, de la direction principale d’incidence des rayons arrivant sur la métasurface MS1 en provenance de la métasurface MS2, et/ou de l’état de polarisation que l’on cherche à mesurer au moyen du pixel P.
Chacune des métasurfaces MS1, MS2 est constituée d’un réseau bidimensionnel de plots 1091, respectivement 1092d’un premier matériau, entourés latéralement par un matériau de remplissage 1111, respectivement 1112. Les plots 1091et/ou 1092sont par exemple en un matériau opaque au rayonnement à mesurer, par exemple un métal. A titre de variante, les plots 1091et/ou 1092sont en un matériau transparent ou partiellement transparent au rayonnement à mesurer, par exemple du silicium amorphe ou du nitrure de silicium. Les matériaux de remplissage 1111et/ou 1112sont par exemple des matériaux transparents, par exemple des matériaux transparents d’indice de réfraction inférieur à celui du matériau des plots 1091, respectivement 1092. Les matériaux de remplissage 1111et/ou 1112sont par exemple de l’oxyde de silicium. A titre de variante, les matériaux de remplissage 1111et/ou 1112sont gazeux, par exemple de l’air, ou du vide. Les plots 1091et 1092des métasurfaces MS1 et MS2 peuvent être en le même matériau, ou en des matériaux différents. De façon similaire, les matériaux de remplissages 1111et 1112des métasurfaces MS1 et MS2 peuvent être identiques, ou différents.
Dans cet exemple, les plots 1091de la métasurface MS1 ont tous la même hauteur, et les plots 1092de la métasurface MS2 ont tous la même hauteur, égale à la hauteur des plots 1091ou différente de la hauteur des plot 1091.
Dans l’exemple de la , la métasurface inférieure MS1 est séparée de la face supérieure de la couche 107 par une couche transparente 113, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS1. La couche 113 a une fonction d’espaceur optique. L’épaisseur de la couche 113 est choisie en fonction de la fonction optique réalisée par la métasurface MS1 et/ou par la métasurface MS2, pour obtenir l’effet recherché de focalisation des rayons lumineux dans ou sur les photodétecteurs 103 des pixels. A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche 113 est inférieure à 100 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de préférence comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm. A titre d’exemple, les plots 1091 de la métasurface MS1 sont en contact, par leur face inférieure, avec la face supérieure de la couche 113. La couche 113 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 107.
Dans l’exemple de la , la métasurface inférieure MS1 est séparée de la métasurface supérieure MS2 par une couche transparente 115, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS1 ou en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS2. La couche 115 a une fonction d’espaceur optique. L’épaisseur de la couche 115 est choisie en fonction de la fonction optique réalisée par la métasurface MS1 et/ou par la métasurface MS2, pour obtenir l’effet recherché de routage des rayons lumineux, en fonction de leur état de polarisation, dans ou sur les photodétecteurs 103 des pixels. A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche 115 est inférieure à 100 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de préférence comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm. A titre d’exemple, les plots 1091 de la métasurface MS1 sont en contact, par leur face supérieure, avec la face inférieure de la couche 115. Les plots 1092 de la métasurface MS2 sont par exemple en contact, par leur face inférieure, avec la face supérieure de la couche 115.
Dans l’exemple représenté, le capteur comprend en outre une couche transparente 117, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS2, recouvrant la face supérieure de la métasurface MS2. La couche 117 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure des plots 1092de la métasurface MS2. La couche 117 a par exemple une fonction de protection de la métasurface MS2.
Le capteur 100 de l’exemple des figures 1A et 1B est un capteur monochromatique, c’est à dire que les photodétecteurs 103 de tous les tous les pixels P du capteur 100 sont configurés pour mesurer des rayonnements lumineux dans une même gamme de longueurs d’ondes.
La et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d’un capteur d’images 200 selon un mode de réalisation.
Le capteur 200 des figures 2A et 2B présente des éléments communs avec le capteur 100 des figures 1A et 1B. Ces éléments ne seront pas détaillés à nouveau, et seules les différences par rapport au capteur 100 des figures 1A et 1B seront mises en exergue ci-après.
Le capteur 200 diffère du capteur 100 principalement en ce que, alors que le capteur 100 est un capteur monochromatique, le capteur 200 des figures 2A et 2B est un capteur multispectral, c’est à dire adapté à mesurer des rayonnements dans des gammes de longueurs d’ondes différentes.
Pour cela, dans le capteur 200, chaque pixel P comprend plusieurs photodétecteurs 103 agencés pour mesurer respectivement des rayonnements lumineux dans des gammes de longueurs d’ondes différentes. Comme dans l’exemple des figures 1A et 1B, les photodétecteurs 103 sont isolés latéralement les uns des autres par des tranchées ou murs d’isolation 105.
Plus particulièrement, dans l’exemple représenté, chaque pixel P du capteur 200 comprend quatre photodétecteurs adjacents 103(R), 103(G), 103(B), 103(IR), agencés pour mesurer respectivement des rayonnements de lumière majoritairement rouge, verte, bleue, et infrarouge. Pour cela, chaque photodétecteur 103 est surmonté d’un filtre couleur 201 adapté à laisser passer essentiellement la lumière de la gamme de longueurs d’ondes à mesurer. Par exemple, dans chaque pixel P, les photodétecteurs 103(R), 103(G), 103(B), 103(IR) sont surmontés respectivement par des filtres 201(R), 201(G), 201(B), 201(IR), adaptés à laisser passer respectivement majoritairement de la lumière rouge, majoritairement de la lumière verte, majoritairement de la lumière bleue, et majoritairement de la lumière infrarouge. La personne du métier saura bien entendu adapter le mode de réalisation des figures 2A et 2B à d’autres décompositions spectrales de la lumière mesurée.
Les filtres couleur 201 comprennent par exemple des filtres en des résines colorées et/ou des filtres interférentiels.
A titre d’exemple, les filtres couleur 201 forment ensemble une couche de filtrage couleur revêtant la face supérieure du substrat 101.
La couche transparente 113 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche de filtrage 201.
Dans l’exemple illustré sur les figures 2A et 2B, la couche 107 de l’exemple des figures 1A et 1B n’a pas été représentée. A titre d’exemple, le capteur 200 des figures 2A et 2B est un capteur à éclairement par la face arrière. Dans ce cas, un empilement d’interconnexion peut être disposé du côté de la face du substrat 101 opposé à la face d’éclairement du capteur, c’est à dire du côté de la face inférieure du substrat 101 dans l’orientation de la . A titre de variante, le capteur 200 est un capteur à éclairement par la face avant. Dans ce cas, un empilement d’interconnexion peut être disposé entre la face supérieure du substrat 101 et la face inférieure de la couche de filtrage 201.
Dans cet exemple, la portion MS1Pde la métasurface MS1 située à la verticale de chaque pixel P, présente un motif adapté à mettre en oeuvre une fonction de focalisation des rayons lumineux reçus vers les quatre photodétecteurs 103(R), 103(G), 103(B), 103(IR) du pixel sous-jacent. Autrement dit, la portion MS1Pde la métasurface MS1 située à la verticale de chaque pixel P se comporte comme un réseau de quatre microlentilles focalisant vers les photodétecteurs 103(R), 103(G), 103(B), 103(IR) du pixel les rayons transmis par la portion MS2Mde la métasurface MS2, recouvrant le macropixel M auquel appartient le pixel.
Le motif de la portion MS1Pde la métasurface MS1 peut être répété à l’identique (aux dispersions de fabrication près) en vis à vis de tous les pixels P du capteur. A titre de variante, le motif de la portion MS1Ppeut varier d’un pixel P à l’autre, en fonction de la position du macropixel sur le capteur, pour tenir compte notamment de la direction principale d’incidence et/ou de l’état de polarisation des rayons arrivant sur la métasurface MS1 en provenance de la métasurface MS2.
La et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d’un capteur d’images 300 selon un mode de réalisation.
Le capteur 300 des figures 3A et 3B présente des éléments communs avec le capteur 200 des figures 2A et 2B. Ces éléments ne seront pas détaillés à nouveau, et seules les différences par rapport au capteur 200 des figures 2A et 2B seront mises en exergue ci-après.
De même que le capteur 200 des figures 2A et 2B, le capteur 300 des figures 3A et 3B est un capteur multispectral, c’est à dire adapté à mesurer des rayonnements dans des gammes de longueurs d’ondes différentes.
Toutefois, à la différence du capteur 200, le capteur 300 des figures 3A et 3B ne comprend pas de filtres spectraux 201.
A la place, dans l’exemple des figures 3A et 3B, la métasurface MS1 a une fonction de routage et de focalisation de la lumière incidente, en fonction de sa longueur d’onde, vers respectivement les différents photodétecteurs 103 des pixel sous-jacents.
Plus particulièrement, dans l’exemple illustré sur les figures, la portion MS1Pde la métasurface MS1 située à la verticale de chaque pixel P, présente un motif adapté à mettre en oeuvre une fonction de routage et de focalisation :
- de la lumière rouge vers le photodétecteur 103(R) du pixel,
- de la lumière verte vers le photodétecteur 103(G) du pixel,
- de la lumière bleue vers le photodétecteur 103(B) du pixel, et
- de la lumière infrarouge vers le photodétecteur 103(IR) du pixel.
Autrement dit, tout le flux lumineux reçu par la portion MS1Pde la métasurface MS1, de surface sensiblement égale à la surface totale du pixel P, est trié par gammes de longueurs d’ondes. Les composantes du flux incident selon les longueurs d’ondes considérées sont déviées vers respectivement les photodétecteurs 103(R), 103(G), 103(B) et 103(IR) du pixel. Par rapport à un capteur multispectral à base de filtres couleurs tel que décrit en relation avec les figures 2A et 2B, ceci permet avantageusement d’améliorer le rendement quantique du capteur dans la mesure où la totalité du flux collecté en vis à vis de chaque pixel P est transmis vers les quatre photodétecteurs 103(R), 103(G), 103(B) et 103(IR) du pixel.
Le motif de la portion MS1Pde la métasurface MS1 peut être répété à l’identique (aux dispersions de fabrication près) en vis à vis de tous les pixels P du capteur. A titre de variante, le motif de la portion MS1Ppeut varier d’un pixel P à l’autre, en fonction de la position du macropixel sur le capteur, pour tenir compte notamment de la direction principale d’incidence et/ou de l’état de polarisation des rayons arrivant sur la métasurface MS1 en provenance de la métasurface MS2.
La personne du métier saura adapter le mode de réalisation des figures 3A et 3B à d’autres décompositions spectrales de la lumière mesurée.
La est une vue en coupe d’un exemple d’un capteur d’images 400 selon un mode de réalisation.
Le capteur 400 de la présente les mêmes éléments que le capteur 100 des figures 1A et 1B, agencés sensiblement de la même manière.
Le capteur 400 de la diffère du capteur 100 des figures 1A et 1B en ce qu’il comprend en outre des filtres couleur ou filtres spectraux 401 disposés au-dessus de la métasurface supérieure MS2, par exemple sur et en contact avec la couche de protection transparente 117.
Plus particulièrement, dans cet exemple, chaque macropixel M du capteur est surmonté d’un filtre 401 adapté à laisser passer essentiellement la lumière d’une gamme de longueurs d’ondes à mesurer. Ainsi, dans cet exemple, tous les pixels P d’un même macropixel M mesurent des rayonnements lumineux dans une même gamme de longueurs d’ondes, et des pixels P de macropixels M voisins mesurent des rayonnements dans des gammes de longueurs d’ondes différentes. Par exemple, les macropixels M sont regroupés par groupes de 2x2 macropixels M adjacents, revêtus respectivement par quatre filtres couleur 401 distincts adaptés à laisser passer respectivement majoritairement de la lumière rouge, majoritairement de la lumière verte, majoritairement de la lumière bleue, et majoritairement de la lumière infrarouge.
Les filtres couleur 401 comprennent par exemple des filtres en des résines colorées et/ou des filtres interférentiels.
A titre de variante, la couche de filtres couleur 401 peut être disposée entre la métasurface supérieure MS2 et la métasurface inférieure MS1, ou entre la métasurface MS1 et le substrat 101.
La est une vue en coupe d’un exemple d’un capteur d’images 500 selon un mode de réalisation.
Le capteur 500 de la présente des éléments communs avec le capteur 400 de la . Ces éléments ne seront pas détaillés à nouveau, et seules les différences par rapport au capteur 400 seront mises en exergue ci-après.
Le capteur 500 de la diffère du capteur 400 de la essentiellement en ce que, dans le capteur 500, la couche de filtres couleur 401 est omise et remplacée par une troisième métasurface MS3, disposée au-dessus de la métasurface MS2, par exemple sur et en contact avec la face supérieure de la couche transparente 117, adaptée à mettre en oeuvre une fonction de routage de la lumière incidente, en fonction de sa longueur d’onde, vers respectivement les différents macropixels M du capteur.
A titre d’exemple, les macropixels M sont regroupés par groupes de 2x2 macropixels M adjacents. La portion de la métasurface MS3 située à la verticale de chaque pixel groupe de 2x2 macropixels, présente, par exemple, un motif adapté à mettre en oeuvre une fonction de routage et de focalisation :
- de la lumière rouge vers un premier macropixel du groupe,
- de la lumière verte vers un deuxième macropixel du groupe,
- de la lumière bleue vers un troisième macropixel du groupe, et
- de la lumière infrarouge vers le quatrième macropixel du groupe.
Autrement dit, tout le flux lumineux reçu par la portion de la métasurface MS3, de surface sensiblement égale à la surface totale du groupe de 2x2 macropixels M, est trié par gammes de longueurs d’ondes. Les composantes du flux incident selon les longueurs d’ondes considérées sont déviées vers respectivement les quatre macropixels M du groupe
Par rapport à un capteur multispectral à base de filtres couleurs tel que décrit en relation avec la , ceci permet avantageusement d’améliorer le rendement quantique du capteur dans la mesure où la totalité du flux collecté en vis à vis de chaque groupe de 2x2 macropixels est transmis vers les quatre macropixels du groupe.
Le motif de la portion de la métasurface MS3 recouvrant un groupe de 2x2 macropixels peut être répété à l’identique (aux dispersions de fabrication près) en vis à vis de tous les groupes de macropixels du capteur. A titre de variante, le motif peut varier d’un groupe de macropixels à l’autre, en fonction de la position du macropixel sur le capteur, pour tenir compte notamment de la direction principale d’incidence des rayons arrivant sur la métasurface MS3 en provenance de la scène à imager.
La , la , la , la , la et la sont des vues en coupe illustrant de façon schématique et partielle des étapes d’un exemple d’un procédé de fabrication d’un capteur d’images selon un mode de réalisation, par exemple un capteur du type décrit en relation avec les figures 1A et 1B.
La illustre une structure intermédiaire comprenant un substrat semiconducteur 101 dans et sur lequel ont été formés une pluralité de pixels P (non détaillés sur la figure).
La illustre plus particulièrement la structure obtenue à l’issue d’une étape de formation d’un revêtement de passivation 601 sur la face supérieure du substrat 101. Le revêtement de passivation 601 comprend par exemple une couche d’oxyde de silicium, une couche de dioxyde d’hafnium (HfO2), une couche d’alumine (Al2O3), ou un empilement de plusieurs couches de matériaux différents pouvant remplir la fonction d’antireflet, s’étendant sur sensiblement toute la surface du capteur. A titre d’exemple, le revêtement de passivation 601 comprend une couche d’oxyde de silicium 601a formée sur et en contact avec la face supérieure de l’empilement d’interconnexion 107, et une couche de nitrure de silicium 601b formée sur et en contact avec la face supérieure de la couche 601a. Les couches 601a et 601b s’étendent par exemple de façon continue et avec une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la surface supérieure du capteur. L’épaisseur de la couche 601a est par exemple comprise entre 1 nm et 100 nm, par exemple de l’ordre de 10 nm. L’épaisseur de la couche 601b est par exemple comprise entre 10 nm et 200 nm, par exemple de l’ordre de 100 nm.
La illustre la structure obtenue à l’issue d’une étape de formation d’une couche d’espaceur optique 113 sur la face supérieure du revêtement de passivation 601, par exemple en contact avec la face supérieure de la couche 601b.
L’épaisseur de la couche 113 est par exemple inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 100 µm. A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche 113 est comprise entre 1 et 50 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm.
La couche 113 est par exemple en oxyde de silicium.
A titre d’exemple, la couche 113 présente une face supérieure plane s’étendant sur toute la surface supérieure du capteur.
La illustre la structure obtenue à l’issue d’une étape de dépôt, sur la face supérieure de la couche 113, par exemple en contact avec la face supérieure de la couche 113, d’une couche 109 en le matériau destiné à former les plots 1091de la métasurface inférieure MS1 du capteur.
La couche 109 s’étend par exemple de façon continue et avec une épaisseur uniforme sur toute la surface supérieure du capteur. L’épaisseur de la couche 109 est par exemple comprise entre 50 et 500 nm, par exemple de l’ordre de 350 nm.
La couche 109 est par exemple en silicium amorphe.
La illustre la structure obtenue à l’issue d’une étape de gravure localisée de la couche 109 sur toute son épaisseur, par exemple par photolithographie et gravure, de façon à définir les plots 1091de la métasurface MS1. A titre d’exemple, lors de cette étape, la gravure est interrompue sur la face supérieure de la couche 113.
La illustre la structure obtenue à l’issue d’une étape de remplissage des espaces latéraux entre les plots 1091par le matériau de remplissage 1111de la métasurface MS1, par exemple de l’oxyde de silicium. A titre de variante, le matériau de remplissage 1111peut avoir une épaisseur supérieure à celle des plots 1091et recouvrir la face supérieure des plots 1091.
La illustre la structure obtenue à l’issue d’une étape de formation d’une structure antireflets 603 sur la face supérieure de la métasurface MS1, par exemple en contact avec la face supérieure des plots 1091 et du matériau de remplissage. La structure 603 peut être constituée par un empilement d’une ou plusieurs couches diélectriques. L’épaisseur de la structure antireflet 603 est par exemple comprise entre 100 et 500 nm, par exemple de l’ordre de 200 nm.
Les étapes des figures 6B, 6C, 6D, 6E et 6F peuvent être réitérées une ou plusieurs fois pour former une ou plusieurs métasurfaces supplémentaires au-dessus de la métasurface 603.
Une étape de gravure localisée de l’empilement formé au-dessus du substrat 101 peut en outre être prévue pour former un ou plusieurs vias de reprise de contact.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de dimensions et de matériaux mentionnés dans la présente description pour la réalisation des métasurfaces.
En outre, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de fonctions optiques mentionnées ci-dessus mises en oeuvre par les métasurfaces.
Par ailleurs, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples d’application décrits ci-dessus à des capteurs visibles ou proche infrarouge. D’autres gammes de longueurs d’ondes peuvent tirer profit d’une intégration, à l’échelle des pixels, de métasurfaces empilées du côté de la face d’éclairement du capteur. Par exemple, les modes de réalisation décrits peuvent être adaptés à des capteurs infrarouges destinés à mesurer des rayonnements de longueur d’onde comprise entre 1 et 2 µm, par exemple à base d’InGaAs ou de germanium.

Claims (12)

  1. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) formé dans et sur un substrat semiconducteur (101), le capteur comprenant une pluralité de pixels (P) comprenant chacun un photodétecteur (103) formé dans le substrat, le capteur comprenant en outre au moins des première (MS1) et deuxième (MS2) métasurfaces bidimensionnelles superposées, dans cet ordre, en vis à vis de ladite pluralité de pixels, chaque métsurface étant constituée d’un réseau bidimensionnel de plots (1091, 1092), la première métasurface ayant une première fonction optique et la deuxième métasurface ayant une deuxième fonction optique différente de la première fonction optique.
  2. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon la revendication 1, dans lequel les première (MS1) et deuxième (MS2) métasurfaces sont à une distance du substrat semiconducteur (101) inférieure à 500 µm, par exemple inférieure à 100 µm.
  3. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première métasurface (MS1) est à une distance du substrat semiconducteur (101) comprise entre 1 et 50 µm, et la deuxième métasurface (MS2) est à une distance de la première métatsurface (MS1) comprise entre 1 et 50 µm.
  4. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les plots (1091) de la première métasurface (MS1) et les plots (1092) de la deuxième métasurface sont en silicium amorphe.
  5. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les plots (1091) de la première métasurface (MS1) et les plots (1092) de la deuxième métasurface sont entourés latéralement d’oxyde de silicium.
  6. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les plots (1091, 1092) des première (MS1) et deuxième (MS2) métasurfaces ont des dimensions latérales sub-longueur d’onde.
  7. Capteur d’images (100 ; 200 ; 400 ; 500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première fonction optique est une fonction de routage de la lumière incidente en fonction de son état de polarisation, et la deuxième fonction optique est une fonction de focalisation de la lumière vers les photodétecteurs (103) des pixels (P) sous-jacents.
  8. Capteur d’images (200) selon la revendication 7, comprenant en outre une couche de filtres couleur (201) entre la première métasurface (MS1) et le substrat (101).
  9. Capteur d’images (400) selon la revendication 7, comprenant en outre une couche de filtres couleur (401) au-dessus de la deuxième métasurface (MS2).
  10. Capteur d’images (500) selon la revendication 7, comprenant en outre, au-dessus de la deuxième métasurface (MS2), une troisième métasurface (MS3) adaptée à mettre en oeuvre une fonction optique de routage de la lumière incidente en fonction de sa longueur d’onde.
  11. Capteur d’images (300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première fonction optique est une fonction de routage de la lumière incidente en fonction de son état de polarisation, et la deuxième fonction optique est une fonction de routage et de focalisation de la lumière vers les photodétecteurs (103) des pixels (P) sous-jacents, en fonction de sa longueur d’onde.
  12. Capteur d’images (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel, en vue de dessus, les plots (1091) de la première métasurface (MS1) et/ou les plots (1092) de la deuxième métasurface (MS2) ont des formes asymétriques, par exemple rectangulaires ou elliptiques.
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