WO2016110466A1 - Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature - Google Patents

Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature Download PDF

Info

Publication number
WO2016110466A1
WO2016110466A1 PCT/EP2016/050027 EP2016050027W WO2016110466A1 WO 2016110466 A1 WO2016110466 A1 WO 2016110466A1 EP 2016050027 W EP2016050027 W EP 2016050027W WO 2016110466 A1 WO2016110466 A1 WO 2016110466A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photodiode
voltage
junction
sensor according
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/050027
Other languages
English (en)
Inventor
Yang Ni
Original Assignee
New Imaging Technologies
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by New Imaging Technologies filed Critical New Imaging Technologies
Priority to CN201680005390.9A priority Critical patent/CN107408564A/zh
Priority to US15/542,113 priority patent/US20180278866A1/en
Priority to JP2017536569A priority patent/JP2018504780A/ja
Publication of WO2016110466A1 publication Critical patent/WO2016110466A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14623—Optical shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14654—Blooming suppression
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14654—Blooming suppression
    • H01L27/14656—Overflow drain structures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/72—Combination of two or more compensation controls
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
    • H04N25/621—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels for the control of blooming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/65—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to reset noise, e.g. KTC noise related to CMOS structures by techniques other than CDS

Definitions

  • the present invention relates to optical sensors and more particularly those using the CMOS integration technology (Complementary Metal Oxide Semiconductor, according to the English terminology).
  • CMOS integration technology allows for monolithic camera chips with good resolution and reasonable image quality. These monolithic cameras are primarily intended for mobile devices such as mobile phones, digital cameras or laptops. The images taken by these cameras are mainly used for viewing on screen or on the Internet.
  • the very economical aspect of this type of camera is generating an ever increasing interest for multiple applications within camera-assisted systems, such as the smart car airbag, the lateral and longitudinal control of a car on a highway, or video surveillance of sensitive areas, etc.
  • a first difficulty when using such a camera lies in the extent of the variation of the lighting level for the same scene. This variation can easily exceed 120 dB between heavily lit areas and poorly lit areas.
  • a conventional CMOS or CCD camera with a linear response can hardly cope with it, and often produces totally or partially saturated images, resulting in the loss of relevant information and leading to an unstable vision system.
  • a second difficulty lies in the magnitude and speed of variation of light in a dynamic scene.
  • the mechanism of automatic control of the exposure realized by a conventional camera can not answer it properly and consequently produces total or partial saturations, extremely prejudicial to the good functioning of the system.
  • the application EP 1354360 thus describes an active pixel structure with a logarithmic response based on the exploitation of a photovoltaic photodiode (also called solar cell mode).
  • the photodiode can be formed of a PN junction with N-diffusion in a P-type substrate. In photovoltaic operation, this photodiode generates a negative open circuit voltage whose absolute value is proportional to the logarithm of the illumination level of the photodiode.
  • a reset transistor creates a short circuit in this photodiode to simulate a dark condition in the presence of normal lighting.
  • a differential reading between the voltage generated by the open-circuit photodiode and that generated in short-circuit makes it possible to eliminate the additive offset noise, called fixed spatial noise or FPN ("Fixed Pattern Noise”) in the reading chain. to obtain a clean image.
  • FPN Fixed spatial noise
  • Patents FR 2 920 590 and FR 2 943 178 describe several improvements to sensors whose pixels use photodiodes operating in solar cell mode.
  • the application WO 2014/064274 discloses a structure of an active pixel comprising a first photodiode operating in photovoltaic mode and a second photodiode operating in integration mode for accumulating charge carriers from the first photodiode.
  • US 2002/0024058 discloses a photodetector circuit having avalanche photodiodes.
  • One of the aims of the present invention is thus to provide an optical sensor with a very high operating dynamic and giving a stable photoelectric response in temperature.
  • a temperature-related voltage shift is usually corrected with a reference signal from a pixel in the dark.
  • a reference signal from a pixel in the dark For more stability, a group of pixels placed in the dark is used and their responses are averaged to obtain a more stable reference level.
  • this reference level is subtracted from the signal read on the photodiode exposed to light, in order to obtain a stable temperature response.
  • This method is used in many known image sensors to stabilize their response to either temperature or parametric dispersions of the components.
  • the multilayer solution is not as effective as desirable because of optical resonance between the metal layers, which causes the absorption to add up instead of multiply. For example, stacking two layers of metal only doubles the attenuation.
  • CMOS conventional optical sensors that is to say those whose pixels include photodiodes not operating in solar cell mode, are very sensitive to glare, unlike the sensors to which the invention relates, which does not are not as sensitive to glare because of their logarithmic response.
  • the aim of the invention is to remedy all or some of the aforementioned drawbacks and, according to a first aspect, to provide a logarithmic response matrix sensor having a temperature-extended operating range, comprising a plurality of active pixels each defined by a photodiode operating in solar cell mode, the photodiode being formed by a semiconductor junction in a substrate, a polarized junction inverse being present at a distance from the junction of the photodiode less than the diffusion length of the charges in the substrate, this junction being preferably achieved by diffusion in the substrate to a depth greater than that used in the formation of the source or of the transistor transistors of the sensor, adjacent to the photodiode.
  • the inverse polarized junction according to the invention is different from the diffusion necessary for the formation of the source or the drain of the transistors adjacent to the photodiode.
  • Each diffusion can be local and discrete and associated with a respective photodiode only.
  • the reverse-biased junction is obtained by diffusion which is common to several photodiodes, extending below them, or which surrounds on at least two sides and beneath each photodiode.
  • the advantage of a diffusion common to several photodiodes is to allow a density of implantation of the photodiodes higher, and that of a diffusion which surrounds each photodiode is to allow a better anti-blooming effect making it possible to further enhance the dynamic Operating.
  • the diffusion depth is the lower limit of diffusion measured from the surface.
  • the diffusion used to make the reverse-biased junction is preferably deeper, so that it can play an active role in the temperature behavior of the logarithmic pixel.
  • An advantageous configuration is to place the junction of the photodiode in solar cell mode in a box which is polarized in inverse relation to the substrate. This arrangement completely eliminates crosstalk due to the blooming effect between neighboring photodiodes.
  • the response of the photodiode according to the invention thanks to the inverse polarized diffusion located in the vicinity, undergoes a temperature effect which boils down to a simple shift when the temperature increases.
  • the invention makes it possible to obtain a logarithmic response over an extended temperature range, in particular between -50 ° C. and 100 ° C.
  • the senor comprises a capacity for injecting a charge into the photodiode in order to polarize it directly before reading a voltage representative of the illumination received by the photodiode.
  • a capacity for injecting a charge into the photodiode in order to polarize it directly before reading a voltage representative of the illumination received by the photodiode.
  • the senor comprises reference pixels used to generate a reference voltage, used to compensate for the temperature-related shift in the response of the active pixels, these reference pixels being masked vis-à-vis the incident light and placed virtually in a non-zero illumination condition, by injecting a current into the junction of the photodiode of the reference pixel.
  • the injection of this current into the photodiode of a reference pixel can be performed through an electrical resistance connected to a voltage source which generates a current in the same direction as the photoelectric current generated by the photodiode under the effect of his enlightenment.
  • this injection of current into the photodiode of a reference pixel is carried out through a capacitor connected to a ramp voltage source which generates a current in the same direction as the photoelectric current generated by the photodiode.
  • a reference level is created at a certain level of illumination by electrically simulating this illumination on the reference pixel or pixels. This avoids the disadvantages mentioned in the preamble, concerning the use of a reference level in the dark, because the incidence on the reference signal of the stray light is lower at a high level of illumination.
  • the substrate may be a p-type semiconductor, in particular p-type silicon, and the photodiode may comprise an n + type region.
  • the reverse-biased junction can be performed by a n + type region.
  • the n + type region of the reverse-biased junction is advantageously defined by a box N of a PMOS transistor for reading the voltage of the photodiode.
  • the sensor may comprise, for each pixel, a reset transistor of the photodiode, imposing when in the conductive state a bias voltage predefined to the photodiode.
  • the charge injection capacity in the photodiode, for the direct polarization before the exposure, can be a parasitic gate-drain capacitance of this reset transistor, which one seeks to develop, or alternatively a capacity realized specifically .
  • the initial polarization voltage of the photodiode obtained by this charge injection can be between 0.1 and 0.2 V.
  • the invention also relates to a method of operating a sensor according to the invention, as defined above, comprising resetting the photodiode by closing a reset transistor and injecting a charge into the photodiode for polarizing it live at the beginning of the light exposure phase received by the photodiode and obtaining a logarithmic response over an extended temperature operating range.
  • This temperature range may include at least the range of -15 ° C to 60 ° C, more preferably the range of -50 ° C to + 100 ° C.
  • the voltage of the photodiode of an active pixel is corrected by the voltage read on a reference pixel, for example by subtraction, to generate a signal representative of the illumination received by the active pixel and independent of the temperature on the operating range.
  • the aforementioned ramp used to generate the current simulating a certain level of illumination of the reference pixel, may be constituted by the falling edge of a control signal of the reset transistor.
  • FIG. 1 is an electronic diagram of a pixel of a sensor according to the invention
  • FIG. 2 schematically and partially shows the CMOS structure of a pixel
  • FIG. 3 illustrates the charge profile in the substrate of the photodiode
  • FIG. 4 is a view similar to FIG. 1, of an embodiment variant of the pixel
  • FIG. 5 illustrates the creation of an exposure simulation current in a reference pixel
  • FIG. 6 is a view similar to FIG. 5 of an alternative embodiment
  • FIG. 7 is a timing diagram illustrating a way of generating the load to be injected by the ramp
  • FIG. 8 represents the evolution of the voltage generated by a pixel as a function of the illumination level, in the absence of charge injection prior to reading the voltage of the photodiode in the anode-cathode direction,
  • FIG. 9 represents the voltage generated by a pixel according to the invention in the anode-cathode direction, after charge injection prior to the beginning of exposure of the photodiode, as a function of the level of illumination, and
  • FIG. 10 is a schematic representation of a simplified electrical model of the photodiode.
  • FIGS 11 and 12 show schematically alternative embodiments of the sensor.
  • FIG. 1 schematically and partially shows the electronic circuit of a pixel of an optical sensor according to the invention.
  • This pixel is part of a detection matrix comprising rows and columns of pixels.
  • Each pixel comprises a photodiode PD associated with an electronic reading of its voltage, which has not been described in detail; examples of photodiode reading circuits in solar cell mode are described for example in patent FR 2 943 178.
  • the open circuit voltage of the photodiode PD in solar cell mode is taken at 14 as the output signal.
  • the photodiode is reset (reset operation) after each read cycle, by the closing of a reset transistor 10 controlled by a signal RST, as shown in FIG. 1, this imposing transistor when closed a predetermined potential across the terminals of the photodiode.
  • the PD photodiode can be made by N-diffusion in a P-type substrate 11 as illustrated in FIG. 2 by a conventional CMOS integration technology.
  • the reset operation makes it possible to empty the photoelectric charge stored on the cathode of the PD photodiode, but that stored in the substrate must also be emptied.
  • a reverse biased junction 20 is created in the substrate 11 at a distance d from the PD photodiode less than the diffusion length.
  • the reset transistor 40 has junctions 41, 42 whose n ++ regions extend over a depth p 'less than the depth p of the region 20.
  • the diffusion length characterizes the distance that the minority carriers travel in the substrate before recombining. This distance is commonly called Lp in a p-type substrate, as in the example considered.
  • Lp is for example determined as described in "Physics of Semiconductor Devices", a book written by SM Sze edited by John Wilet & Sons in 1981, ISBN 0-471-05661-8.
  • Lp is for example between 50 ⁇ and 200 ⁇ for a standard substrate for the manufacture of CMOS circuits.
  • the junction 20 may be created by an n + type region, constituted for example by the N well box of at least one PMOS transistor used for reading the voltage of the PD photodiode, this transistor not being represented in the drawing. for the sake of clarity. Examples of read circuits using PMOS transistors are described in FR
  • a diffusion N can be carried out close to the photodiode PD.
  • This diffusion N can be part of those constituting the passive or active components of the pixel, for example the sources or drains of the transistors
  • the n + region of the photodiode is for example made either by diffusion or by ion implantation, with arsenic or phosphorus, and the same process is used to the n + region polarized in reverse.
  • equation (1) dictates the relationship between the current I D and the voltage V D thereof.
  • V t denotes the voltage of thermal origin, typically of the order of 26mV at 20 ° C and Is is the saturation current of the junction of the photodiode.
  • the static open-circuit voltage of the illuminated photodiode is obtained in solar cell mode according to the following equation (2).
  • L denotes the photoelectric current. It can be seen that the voltage on the photodiode deviates from the logarithmic law when Is becomes large. It should be noted that Is doubles every 7 ° C approximately in silicon.
  • Modeling based on the diffusion of the minority charge carriers between the photodiode and the nearby N doping makes it possible to find the equation between the voltage and the current in the photodiode.
  • the reverse biased N diffusion by a voltage V AB (called anti-glare voltage) near the photodiode in solar cell mode changes the profile of the minority carriers (ie electrons in this case Specifically) in the area P.
  • V AB anti-glare voltage
  • the charges injected into the substrate 11 by the photodiode diffuse towards the N-doping, polarized in reverse, according to a diffusion law.
  • the crystalline quality is excellent. Therefore, for a small distance between the N regions with respect to the diffusion length, the minority carrier distribution is substantially triangular.
  • the current-voltage relationship for the photodiode can be established:
  • the voltage on the photodiode in solar cell mode can be described by the relation (4) below.
  • V DO an initial voltage
  • V D V T LN ⁇ (+ i AB ) t (5)
  • I AB L exp (-V AB V I ), V DO denotes the initial voltage of the photodiode and C D the capacitance of the photodiode, the other terms having the same meaning as those of equation (4 ).
  • the exposure time is often set to a value less than or equal to the capture period, which is constant.
  • the response is strictly logarithmic, but at low flux, the response can be linear at low temperature, because the parasitic capacitance on the photodiode must be recharged after the reset operation.
  • a capacitor 40 may be used to inject a charge into the photodiode to be forward biased after the reset transistor is opened.
  • the capacitance 40 may be a parasitic capacitance of the reset transistor 10 as illustrated in FIG. 1, or a specific capacitance as illustrated in FIG. 4.
  • the initial forward bias voltage V OD applied to the photodiode via this capacitor is, for example, 0, 15V.
  • the value of the capacity is sufficient to obtain the logarithmic response sought at low temperatures.
  • T -15 ° C less than 1% of dispersion in the response compared to that at 25 ° C.
  • dispersion is defined as the relative difference between the response curves.
  • the optical sensor according to the invention advantageously comprises one or more reference pixels, protected from the incident light, serving to generate a reference voltage making it possible to compensate for the temperature offset, and thus to obtain one signal at a time logarithmic and temperature independent over a wide range.
  • the reference pixel (s) are masked by a metal layer shielding the incident light; however, unlike known solutions, a predefined reference illumination condition is simulated thereon.
  • this level of reference illumination is set sufficiently high, it is possible to easily attenuate or even eliminate the light leakage effect of the optical masking in a CMOS production method. For example, if a metal layer is used to create an attenuation factor of 2000 and if the sensitivity threshold of a log pixel is 0.01 lux, then the maximum permissible illumination for a reference pixel in the dark is 201ux, which is very weak.
  • the ramp voltage source may be specific to obtaining the desired current. However, it may be advantageous to exploit the falling edge of a control signal of a transistor of the sensor, in particular the control signal RST of the reset transistor, as illustrated in FIG. 7. This signal RST is triggered before each exposure cycle of the PD photodiode.
  • FIGS. 11 and 12 show two examples of sensors according to the invention, in which the junction 20 is made by diffusion in the substrate 11 which extends under the junctions of the PD photodiodes.
  • the junction 20 extends, for certain PD photodiodes, only below them, at a distance d less than the diffusion length L, which makes it possible to maintain a dense implantation.
  • the diffusion used to make the junction extends both laterally on either side of each photodiode PD, and preferably below also.
  • Diffusion forms for example, cuvettes within each of which a PD photodiode is disposed.
  • the substrate 11 may be p-type and the PD photodiode junctions and the n-type reverse-biased junctions.
  • the diffusion depth p for making the reverse-biased junction is relatively large.
  • the invention is not limited to the examples described.
  • the types of carriers N and P can be reversed.
  • the depth p and the distance d can vary within the sensor, being local values.
  • the depths p and distance d can be determined easily by observation under the electron microscope.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Capteur matriciel à réponse logarithmique et plage de fonctionnement étendue en température, comportant une pluralité de pixels actifs définis chacun par une photodiode (PD) opérant en mode cellule solaire, la photodiode étant formée par une jonction semi-conductrice dans un substrat (11), une jonction (20) polarisée en inverse étant présente à une distance (d) de la jonction de la photodiode inférieure à la longueur de diffusion des charges dans le substrat cette jonction (20) polarisée en inverse étant réalisée par une diffusion à une profondeur (p) supérieure à celle (p') utilisée dans la formation de la source ou du drain de transistors du capteur, adjacents à la photodiode.

Description

CAPTEUR MATRICIEL A REPONSE LOGARITHMIQUE ET PLAGE DE FONCTIONNEMENT ETENDUE EN TEMPERATURE
La présente invention concerne les capteurs optiques et plus particulièrement ceux utilisant la technologie d'intégration CMOS (Complementary Métal Oxyde Semiconductor, selon la terminologie anglo-saxonne).
La technologie d'intégration CMOS permet de réaliser des puces pour caméras monolithiques de bonne résolution et de qualité d'image raisonnable. Ces caméras monolithiques sont principalement destinées aux appareils mobiles tels que téléphones mobiles, appareils photo numériques ou ordinateurs portables. Les images prises par ces caméras servent essentiellement à la visualisation sur écran ou sur Internet.
L'aspect très économique de ce type de caméra suscite un intérêt toujours croissant pour des applications multiples au sein de systèmes assistés par caméras, telles que l'airbag intelligent de voiture, le contrôle latéral et longitudinal d'une voiture sur une autoroute, ou la vidéosurveillance de zones sensibles, etc...
Une première difficulté lors de l'utilisation d'une telle caméra réside dans l'étendue de la variation du niveau d'éclairage pour une même scène. Cette variation peut facilement dépasser 120 dB entre des zones fortement éclairées et des zones mal éclairées. Une caméra CMOS ou CCD classique ayant une réponse linéaire peut difficilement s'en accommoder, et produit souvent des images totalement ou partiellement saturées, entraînant la perte d'informations pertinentes et conduisant à un système de vision instable.
Une seconde difficulté réside dans l'ampleur et la vitesse de variation de la lumière dans une scène dynamique. Le mécanisme de contrôle automatique de l'exposition réalisé par une caméra classique ne peut y répondre convenablement et produit par conséquent des saturations totales ou partielles, extrêmement préjudiciables au bon fonctionnement du système.
De nombreuses méthodes proposent de résoudre ces problèmes en créant des structures de pixel actives possédant une dynamique de fonctionnement élargie grâce à une réponse photoélectrique non linéaire présentant une baisse de sensibilité en cas d'éclairage important.
La demande EP 1354360 décrit ainsi une structure de pixel active à réponse logarithmique fondée sur l'exploitation d'une photodiode en régime photovoltaïque (encore appelé mode cellule solaire). La photodiode peut être formée d'une jonction PN avec une diffusion N dans un substrat de type P. En fonctionnement photovoltaïque, cette photodiode génère une tension négative en circuit ouvert dont la valeur absolue est proportionnelle au logarithme du niveau d'éclairage de la photodiode. Un transistor de réinitialisation permet de créer un court-circuit dans cette photodiode afin de simuler une condition d'obscurité en présence d'un éclairage normal. Une lecture différentielle entre la tension générée par la photodiode en circuit ouvert et celle générée en court-circuit permet de supprimer les bruits de décalage additifs, dits bruit spatial fixe ou FPN (« Fixed Pattern Noise » en anglais) dans la chaîne de lecture et d'obtenir ainsi une image propre.
Les brevets FR 2 920 590 et FR 2 943 178 décrivent plusieurs perfectionnements à des capteurs dont les pixels utilisent des photodiodes fonctionnant en mode cellule solaire.
La demande WO 2014/064274 divulgue une structure d'un pixel actif comportant une première photodiode opérant en mode photovoltaïque et une seconde photodiode opérant en mode intégration pour accumuler des porteurs de charges issus de la première photodiode.
La demande US 2002/0024058 divulgue un circuit de photodétecteur comportant des photodiodes à avalanche.
Toutes ces réalisations donnent de bonnes performances en capture d'image mais présentent une dérive en température de fonctionnement. Cette dérive en température ajoute une tension de décalage constante mais assez uniforme sur l'image de sortie du capteur. Elle n'est pas gênante pour des applications de simple observation, mais le devient pour des applications où la réponse absolue du capteur est importante, telles que la métrologie optique, la thermographie ou l'imagerie en couleur.
L'un des buts de la présente invention est ainsi de fournir un capteur optique à très grande dynamique de fonctionnement et donnant une réponse photoélectrique stable en température.
Par ailleurs, un décalage de tension lié à la température est habituellement corrigé avec un signal de référence issu d'un pixel placé dans l'obscurité. Pour plus de stabilité, un groupe de pixels placé dans l'obscurité est utilisé et l'on moyenne leurs réponses afin d'obtenir un niveau de référence plus stable.
Ensuite, à chaque lecture, on soustrait ce niveau de référence du signal lu sur la photodiode exposée à la lumière, afin d'obtenir une réponse stable en température. Ce procédé est utilisé dans bon nombre capteurs d'image connus afin de stabiliser leur réponse soit vis-à-vis de la température, soit vis-à-vis de dispersions paramétriques des composants.
Toutefois, il ne fonctionne pas totalement sur un pixel à réponse logarithmique utilisant une photodiode en mode cellule solaire pour plusieurs raisons.
Tout d'abord, il est difficile de masquer la lumière sur une très grande plage de fonctionnement. Les couches de métal utilisées à cet effet possèdent inévitablement des microfïssures qui rendent ces couches perméables à la lumière, surtout à forte intensité lumineuse.
Ensuite, la solution à multiples couches n'est pas aussi efficace que souhaitable en raison de résonnance optique entre les couches métalliques, qui fait que l'absorption s'additionne au lieu de se multiplier. Par exemple, empiler deux couches de métal ne fait que doubler l'atténuation.
Enfin, la fuite de lumière par les bords des couches de métal de masquage génère une variation inacceptable du niveau de noir, car un pixel à réponse logarithmique est très sensible à une faible intensité de lumière.
Il existe par conséquent également un besoin pour remédier à cet inconvénient. Les capteurs optiques conventionnels CMOS, c'est-à-dire ceux dont les pixels comportent des photodiodes n'opérant pas en mode cellule solaire, sont très sensibles à l'éblouissement, contrairement aux capteurs auxquels s'intéresse l'invention, qui ne sont pas aussi sensibles à l'éblouissement du fait de leur réponse logarithmique.
Il est connu de lutter contre ce phénomène d'éblouissement par une diffusion adjacente à la photodiode, comme décrit dans la publication WO 2014/131704 Al notamment, cette diffusion étant constituée par exemple par la grille d'un transistor de réinitialisation de la photodiode. Cette publication ne mentionne toutefois nullement l'intérêt que pourrait avoir une telle diffusion vis-à-vis du fonctionnement en température d'un pixel à réponse logarithmique.
L'invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients précités et a pour objet, selon un premier de ses aspects, un capteur matriciel à réponse logarithmique ayant une plage de fonctionnement étendue en température, comportant une pluralité de pixels actifs définis chacun par une photodiode opérant en mode cellule solaire, la photodiode étant formée par une jonction semi-conductrice dans un substrat, une jonction polarisée en inverse étant présente à une distance de la jonction de la photodiode inférieure à la longueur de diffusion des charges dans le substrat, cette jonction étant de préférence réalisée par une diffusion dans le substrat à une profondeur supérieure à celle utilisée dans la formation de la source ou du drain de transistors du capteur, adjacents à la photodiode.
Ainsi, la jonction polarisée en inverse selon l'invention est différente de la diffusion nécessaire à la formation de la source ou du drain des transistors voisins de la photodiode.
Chaque diffusion peut être locale et discrète et associée à une photodiode respective seulement.
Toutefois, de préférence, la jonction polarisée en inverse est obtenue par une diffusion qui est commune à plusieurs photodiodes, en s'étendant sous celles-ci, ou qui entoure sur au moins deux côtés et par-dessous chaque photodiode.
L'avantage d'une diffusion commune à plusieurs photodiodes est de permettre une densité d'implantation des photodiodes plus élevée, et celui d'une diffusion qui entoure chaque photodiode est de permettre un meilleur effet anti-blooming permettant de rehausser encore plus la dynamique de fonctionnement.
La profondeur de diffusion correspond à la limite inférieure de la diffusion, mesurée à partir de la surface.
Alors qu'une diffusion utile pour réaliser la source ou le drain d'un transistor est de préférence confinée à la surface pour éviter les courants parasites empêchant un bon contrôle par la grille, la diffusion servant à réaliser la jonction polarisée en inverse est de préférence plus profonde, de façon à pouvoir jouer un rôle actif dans le comportement en température du pixel logarithmique.
Une configuration avantageuse est de placer la jonction de la photodiode en mode cellule solaire dans un caisson qui est polarisé en inverse par rapport au substrat. Cet arrangement supprime totalement la diaphonie due à l'effet blooming entre les photodiodes voisines.
La réponse de la photodiode selon l'invention, grâce à la diffusion polarisée en inverse située à proximité, subit un effet en température qui se résume à un simple décalage quand la température augmente. L'invention permet d'obtenir une réponse logarithmique sur une plage de températures étendue, notamment entre -50°C et 100°C.
De préférence, le capteur comporte une capacité pour injecter une charge dans la photodiode afin de la polariser en direct avant la lecture d'une tension représentative de l'éclairement reçu par la photodiode. Une telle injection permet d'obtenir une réponse logarithmique encore plus étendue vers les basses températures.
De préférence également, le capteur comporte des pixels de référence utilisés pour générer une tension de référence, servant à compenser le décalage lié à la température dans la réponse des pixels actifs, ces pixels de référence étant masqués vis-à-vis de la lumière incidente et placés virtuellement dans une condition d'éclairement non nul, par injection d'un courant dans la jonction de la photodiode du pixel de référence.
L'injection de ce courant dans la photodiode d'un pixel de référence peut être effectuée à travers une résistance électrique reliée à une source de tension qui génère un courant dans le même sens que le courant photoélectrique généré par la photodiode sous l'effet de son illumination. En variante, cette injection de courant dans la photodiode d'un pixel de référence est effectuée à travers une capacité reliée à une source de tension en rampe qui génère un courant dans le même sens que le courant photoélectrique généré par la photodiode.
Ainsi, selon cet aspect de l'invention, au lieu de créer un niveau de référence dans le noir, on crée un niveau de référence à un certain niveau d'éclairement en simulant électriquement cet éclairement sur le ou les pixels de référence. On évite ainsi les inconvénients rappelés dans le préambule, concernant l'utilisation d'un niveau de référence dans le noir, car l'incidence sur le signal de référence de la lumière parasite est moindre à un niveau d'éclairement élevé.
Le substrat peut être semi-conducteur de type p, notamment en silicium de type p, et la photodiode comporter une région de type n+.
La jonction polarisée en inverse peut être réalisée par une région de type n+. La région de type n+ de la jonction polarisée en inverse est avantageusement définie par un caisson N d'un transistor PMOS de lecture de la tension de la photodiode.
Le capteur peut comporter, pour chaque pixel, un transistor de réinitialisation de la photodiode, imposant lorsqu'à l'état conducteur une tension de polarisation prédéfinie à la photodiode.
La capacité d'injection de charge dans la photodiode, pour la polariser en direct avant l'exposition, peut être une capacité parasite grille-drain de ce transistor de réinitialisation, que l'on cherche à développer, ou en variante une capacité réalisée spécifiquement. La tension de polarisation initiale de la photodiode obtenue grâce à cette injection de charges peut être comprise entre 0,1 et 0,2 V.
L'invention a encore pour objet un procédé de fonctionnement d'un capteur selon l'invention, tel que défini plus haut, comportant la réinitialisation de la photodiode par fermeture d'un transistor de réinitialisation et injection d'une charge dans la photodiode pour la polariser en direct au début de la phase d'exposition à la lumière reçue par la photodiode et obtenir une réponse logarithmique dans une plage de fonctionnement en température étendue.
Cette plage de température peut englober au moins la plage allant de -15°C à 60°C, mieux la plage allant de -50°C à +100°C.
De préférence, la tension de la photodiode d'un pixel actif est corrigée par la tension lue sur un pixel de référence, par exemple par soustraction, pour générer un signal représentatif de l'éclairement reçu par le pixel actif et indépendant de la température sur la plage de fonctionnement.
La rampe précitée, servant à générer le courant simulant un certain niveau d'illumination du pixel de référence, peut être constituée par le front descendant d'un signal de commande du transistor de réinitialisation.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 est un schéma électronique d'un pixel d'un capteur selon l'invention,
la figure 2 représente de façon schématique et partielle, la structure CMOS d'un pixel,
- la figure 3 illustre le profil de charges dans le substrat de la photodiode,
la figure 4 est une vue analogue à la figure 1, d'une variante de réalisation du pixel,
la figure 5 illustre la création d'un courant de simulation d'exposition dans un pixel de référence,
- la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 d'une variante de réalisation, la figure 7 est un chronogramme illustrant une façon de générer la charge à injecter par la rampe, la figure 8 représente l'évolution de la tension générée par un pixel en fonction du niveau d'illumination, en l'absence d'injection de charges préalablement à la lecture de la tension de la photodiode dans le sens anode-cathode,
la figure 9 représente la tension générée par un pixel selon l'invention dans le sens anode-cathode, après injection de charge préalablement au début de l'exposition de la photodiode, en fonction du niveau d'illumination, et
la figure 10 est une représentation schématique d'un modèle électrique simplifié de la photodiode, et
les figures 11 et 12 représentent de façon schématique des variantes de réalisation du capteur.
On a représenté schématiquement et partiellement à la figure 1 le circuit électronique d'un pixel d'un capteur optique selon l'invention. Ce pixel fait partie d'une matrice de détection comportant des lignes et colonnes de pixels. Chaque pixel comporte une photodiode PD associée à une électronique de lecture de sa tension, qui n'a pas été décrite en détail ; des exemples de circuits de lecture de photodiodes en mode cellule solaire sont décrits par exemple dans le brevet FR 2 943 178.
La tension en circuit ouvert de la photodiode PD en mode cellule solaire est prélevée en 14 comme signal de sortie. La photodiode est réinitialisée (opération de reset) après chaque cycle de lecture, par la fermeture d'un transistor de reset 10 commandé par un signal RST, comme illustré à la figure 1, ce transistor imposant lorsque fermé un potentiel prédéfini aux bornes de la photodiode.
La photodiode PD peut être réalisée par diffusion N dans un substrat 11 de type P comme illustré à la figure 2, par une technologie conventionnelle d'intégration CMOS.
L'opération de reset permet de vider la charge photoélectrique stockée sur la cathode de la photodiode PD, mais celle stockée dans le substrat doit également être vidée.
Si la densité de pixels dans la matrice du capteur est faible, ces charges dans le substrat se recombinent naturellement. Par contre, si la matrice de pixel est dense, ce qui est le cas d'un capteur selon l'invention, ces charges doivent être absorbées expressément.
Selon l'invention, une jonction 20 polarisée en inverse est créée dans le substrat 11 à une distance d de la photodiode PD inférieure à la longueur de diffusion.
Le transistor de reset 40 comporte des jonctions 41, 42 dont les régions n++ s'étendent sur une profondeur p' inférieure à la profondeur p de la région 20. La longueur de diffusion caractérise la distance que parcourent les porteurs minoritaires dans le substrat avant de se recombiner. Cette distance est communément appelée Lp dans un substrat de type p, comme dans l'exemple considéré. Lp est par exemple déterminée comme décrit dans « Physics of Semiconductor Devices », livre écrit par S.M. Sze édité par John Wilet & Sons en 1981, ISBN 0-471-05661-8. Lp est par exemple compris entre 50μιη et 200μιη pour un substrat standard pour la fabrication des circuits CMOS.
La jonction 20 peut être créée par une région de type n+, constituée par exemple par le caisson Nwell d'au moins un transistor PMOS utilisé pour la lecture de la tension de la photodiode PD, ce transistor n'étant pas représenté sur le dessin dans un souci de clarté. Des exemples de circuits de lecture utilisant des transistors PMOS sont décrits dans FR
2 943 178.
En variante, notamment lorsque le circuit de lecture utilisé ne comporte, comme décrit dans FR 2 920 590, que des transistors NMOS, une diffusion N peut être effectuée à proximité de la photodiode PD. Cette diffusion N peut faire partie de celles constituant les composants passifs ou actifs du pixel, par exemple les sources ou drains des transistors
NMOS.
Dans le cas d'un substrat 11 en silicium, de type p, la région n+ de la photodiode est par exemple réalisée soit par diffusion, soit par implantation ionique, avec de l'arsenic ou du phosphore, et le même procédé est utilisé pour la région n+ polarisée en inverse.
Pour une photodiode isolée dans un substrat, l'équation (1) ci-dessous dicte la relation entre le courant ID et la tension VD de celle-ci.
V D,
I = 1 e ' - 1 (1)
Vt désigne la tension d'origine thermique, typiquement de l'ordre de 26mV à 20°C et Is est le courant de saturation de la jonction de la photodiode.
On obtient la tension en circuit ouvert statique de la photodiode éclairée, en mode cellule solaire, selon l'é uation (2) ci-après. L désigne le courant photoélectrique.
Figure imgf000009_0001
On voit que la tension sur la photodiode s'écarte de la loi logarithmique quand Is devient grand. Il est à noter que Is double tous les 7°C environ dans le silicium.
Avec un dopage N constitué par la jonction 20 se trouvant à proximité de la photodiode, c'est-à-dire à une distance inférieure à la longueur de diffusion Lp, l'évolution de la tension sur la photodiode est influencée par la polarisation de ce dopage N.
Une modélisation fondée sur la diffusion des porteurs de charge minoritaires entre la photodiode et le dopage N à proximité permet de retrouver l'équation entre la tension et le courant dans la photodiode.
Comme le montre la figure 3, la diffusion N polarisée en inverse par une tension VAB (dite tension d'anti-éblouissement) à proximité de la photodiode en mode cellule solaire change le profil des porteurs minoritaires (à savoir des électrons dans ce cas précis) dans la zone P. Ainsi, les charges injectées dans le substrat 11 par la photodiode diffusent vers le dopage N, polarisé en inverse, selon une loi de diffusion.
Dans un substrat destiné à la fabrication d'un capteur d'image, la qualité cristalline est excellente. Par conséquent, pour une faible distance entre les régions N par rapport à la longueur de diffusion, la distribution des porteurs minoritaires est sensiblement triangulaire.
On peut établir la relation courant-tension pour la photodiode :
ID— Ise Ise (3)
De cette relation (3), on observe que la courbe courant/tension de la photodiode ne passe pas par le point (0,0). Cette déviation du point (0,0) est la base du phénomène de la dérive en température, car quand le courant est nul dans la photodiode, correspondant à l'obscurité, la tension sur la photodiode n'est pas nulle.
On peut décrire la tension sur la photodiode en mode cellule solaire par la relation (4) ci-dessous.
Figure imgf000010_0001
On voit que la polarisation inverse de la jonction 20 dopée N permet de maintenir une sensibilité logarithmique même quand le courant Is est important, car le terme exponentiel fonction de -VAB/\ t est négligeable.
La variation du courant Is avec la température engendre néanmoins dans ce cas une dérive de la tension quand la photodiode se trouve dans l'obscurité, qu'il est possible de corriger, comme décrit plus loin.
Quand la photodiode PD est associée à un transistor de reset 10, la photodiode évolue avec une tension initiale, notée VDO.
On peut établir un modèle simple illustré à la figure 10 pour modéliser le comportement dynamique de la photodiode après l'opération de reset. A partir de ce modèle, on peut établir une équation différentielle (5) dont la solution donne la tension VD de la photodiode après un temps de pose t.
VD = VT LN ^ ( +iÂB )t (5)
[( + IAB)e v> - Is ]e v*c° + /,
Dans cette équation, IAB = L exp (-VAB VI), VDO désigne la tension initiale de la photodiode et CD la capacité de la photodiode, les autres termes ayant la même signification que ceux de l'équation (4).
Dans un capteur d'image, le temps de pose est souvent fixé à une valeur inférieure ou égale à la période de capture, qui est constante.
Si l'on trace la tension sur la photodiode en fin d'exposition en fonction du niveau d'illumination sur la photodiode, on obtient une réponse complexe, comme le montre la figure 8, pour différents niveaux de température et de courant Is.
A haut flux lumineux, la réponse est strictement logarithmique, mais à bas flux, la réponse peut être linéaire à basse température, du fait que la capacité parasite sur la photodiode doit être rechargée après l'opération de reset.
En comparaison, avec une photodiode en mode cellule solaire sans la jonction 20 polarisée en inverse à proximité, la réponse photoélectrique s'effondre rapidement avec la température. Il est impossible dans ce cas de restaurer la perte de sensibilité par des traitements ultérieurs.
De l'équation (5), on voit que si la tension initiale VD0 de la photodiode en mode cellule solaire est initialisée à une valeur positive, c'est-à-dire que la photodiode est polarisée en direct pendant la phase de réinitialisation au lieu d'un court-circuit, la réponse devient logarithmique sur toute la plage de température. L'effet de la température sur la réponse se résume alors en un simple décalage, comme illustré à la figure 9, où l'on a représenté l'évolution de la tension en fonction de l'éclairement pour une plage de températures allant de -20°C à 90°C.
Il est difficile de réinitialiser une photodiode en polarisation directe avec un transistor MOS, car dans ce cas la source et le drain du transistor de reset se trouvent aussi en polarisation directe. Ces jonctions polarisées en direct injectent des charges dans le substrat qui sont de même nature que les charges photo-électriques, ce qui empêche un bon fonctionnement de la photodiode dans la capture d'image.
Une capacité 40 peut être utilisée pour injecter une charge dans la photodiode pour qu'elle soit polarisée en direct après l'ouverture du transistor de reset.
La capacité 40 peut être une capacité parasite du transistor 10 de reset comme illustré à la figure 1 , ou une capacité spécifique comme illustré à la figure 4. La tension de polarisation directe initiale VDO appliquée à la photodiode via cette capacité est par exemple de 0, 15V.
La valeur de la capacité est suffisante pour obtenir la réponse logarithmique recherchée aux basses températures.
On cherche par exemple à avoir pour T =- 15°C moins de 1 % de dispersion dans la réponse par rapport à celle à 25 °C. Ici la dispersion est définie comme l'écart relatif entre les courbes de réponse.
Par ailleurs, le capteur optique selon l'invention comporte avantageusement un ou plusieurs pixels de référence, protégés de la lumière incidente, servant à générer une tension de référence permettant de compenser le décalage en température, et ainsi d'obtenir un signal à la fois logarithmique et indépendant de la température sur une large plage.
Le ou les pixels de référence sont masqués par une couche de métal faisant écran vis-à-vis de la lumière incidente ; toutefois, contrairement aux solutions connues, on simule sur ceux-ci une condition d'éclairement de référence prédéfinie.
Si l'on fixe ce niveau d'éclairement de référence suffisamment haut, on peut facilement atténuer, voire supprimer, l'effet de fuite de lumière du masquage optique dans un procédé de réalisation CMOS. Par exemple, si une couche de métal permet de créer un facteur d'atténuation de 2000 et si le seuil de sensibilité d'un pixel logarithmique est de 0.01 lux, l'éclairement maximal tolérable pour un pixel de référence placé dans le noir est de 201ux, ce qui est très faible.
Avec la solution proposée, en fixant l'éclairement de référence à lOOOOlux, même si le pixel de référence reçoit 200000 de lux, il n'y a que 1% de variation sur le niveau de référence.
Il est possible d'appliquer plusieurs couches de métal sur le ou les pixels de référence pour encore plus de précision, si nécessaire. D'une façon générale, la précision augmente avec le niveau de l'éclairement simulé électroniquement.
Pour simuler ce niveau d'éclairement, il est possible de générer un courant simulant une condition d'éclairement équivalente, donc de même sens que celui généré par le fonctionnement en mode cellule solaire de la photodiode, à l'aide d'une source de tension 30 reliée par une résistance électrique 31 à la photodiode PD, comme illustré à la figure 5. Dans l'exemple considéré, cette source de tension est négative et le choix de la valeur de la tension de la source 30 ainsi que celui de la valeur de la résistance 31 permet d'obtenir le courant souhaité.
Une autre solution, plus intéressante, est d'utiliser une rampe de tension reliée par l'intermédiaire d'une capacité 33 à la cathode de la photodiode, comme illustré à la figure 6. L'ajustement du courant de simulation de la condition d'éclairement peut alors se faire par le choix de la valeur de la capacité et de la pente de la rampe.
La source de tension en rampe peut être spécifique à l'obtention du courant recherché. Toutefois, il peut être avantageux d'exploiter le front descendant d'un signal de commande d'un transistor du capteur, notamment le signal de commande RST du transistor de reset, comme illustré à la figure 7. Ce signal RST est déclenché avant chaque cycle d'exposition de la photodiode PD.
On a représenté aux figures 11 et 12 deux exemples de capteurs selon l'invention, dans lesquels la jonction 20 est réalisée par une diffusion dans le substrat 11 qui s'étend sous les jonctions des photodiodes PD.
Dans l'exemple de la figure 11, la jonction 20 ne s'étend, pour certaines photodiodes PD, que sous celles-ci, à une distance d inférieure à la longueur de diffusion L, ce qui permet de conserver une implantation dense. Dans l'exemple de la figure 12, la diffusion servant à réaliser la jonction s'étend à la fois latéralement de part et d'autre de chaque photodiode PD, et de préférence dessous également.
La diffusion forme par exemple des cuvettes au sein de chacune desquelles une photodiode PD est disposée.
Le substrat 11 peut être de type p et les jonctions des photodiodes PD et les jonctions polarisées en inverse de type n.
La profondeur p de diffusion pour réaliser la jonction polarisée en inverse est relativement importante.
Elle est par exemple, dans le cas d'une technologie 0.18μιη d'au moins 0.5μιη. Une plus grande profondeur permet d'absorber plus de charge photoélectriqe créée par les photons de grande longueur d'onde (>650nm).
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. En particulier, on peut inverser les types de porteurs N et P.
La profondeur p ainsi que la distance d peuvent varier au sein du capteur, étant des valeurs locales. Les profondeurs p et distance d peuvent être déterminées aisément, par observation au microscope électronique.
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comprenant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur matriciel à réponse logarithmique et plage de fonctionnement étendue en température, comportant une pluralité de pixels actifs définis chacun par une photodiode (PD) opérant en mode cellule solaire, la photodiode étant formée par une jonction semi-conductrice dans un substrat (11), une jonction (20) polarisée en inverse étant présente à une distance (d) de la jonction de la photodiode inférieure à la longueur de diffusion des charges dans le substrat, le capteur comportant un ou plusieurs pixels de référence utilisés pour générer une tension de référence servant à compenser un décalage lié à la température dans la réponse des pixels actifs, ce ou ces pixels de référence étant masqués vis-à-vis de la lumière incidente et placés virtuellement dans une condition d'éclairement donnée par injection d'un courant dans la jonction de la photodiode.
2. Capteur selon la revendication 1 , comportant une capacité (40) pour injecter une charge dans la photodiode (PD) afin de la polariser en direct avant la lecture d'une tension représentative de l'éclairement reçu par la photodiode.
3. Capteur selon la revendication 1, l'injection du courant dans la photodiode d'un pixel de référence étant effectuée à travers une résistance électrique (31) reliée à une source de tension (30), qui génère un courant dans le même sens que le courant photoélectrique généré par la photodiode (PD).
4. Capteur selon la revendication 1, l'injection de courant dans la photodiode d'un pixel de référence étant effectuée à travers une capacité (33) reliée à une source de tension en rampe, qui génère un courant dans le même sens que le courant photoélectrique généré par la photodiode.
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le substrat (11) étant semi-conducteur de type p, notamment en silicium de type p, et la photodiode (PD) comportant une région de type n+.
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, la jonction (20) polarisée en inverse étant générée par une région de type n+.
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, la région de type n+ de la jonction (20) polarisée en inverse étant définie par un caisson n d'un transistor PMOS de lecture de la tension de la photodiode.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant pour chaque pixel un transistor (10) de réinitialisation de la photodiode (PD), imposant lorsqu'à l'état conducteur une tension prédéfinie à la photodiode.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la revendication 2, la capacité (40) d'injection de la charge dans la photodiode (PD) pour la polariser en direct avant lecture de la tension, étant une capacité parasite du transistor de réinitialisation (10).
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dont la revendication 2, la capacité (40) d'injection de la charge dans la photodiode pour la polariser en direct avant lecture de la tension étant une capacité réalisée spécifiquement.
11. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la revendication 2, la tension de polarisation initiale de la photodiode (PD) suite à l'injection de charges au moyen de la capacité étant comprise entre 0,1 et 0,2 V.
12. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, la jonction (20) polarisée en inverse s'étendant sous la jonction de la photodiode (PD).
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, la jonction (20) polarisée en inverse s'étendant sur au moins deux côtés opposés de part et d'autre de la jonction de la photodiode, mieux tout autour de la photodiode.
14. Procédé de fonctionnement d'un capteur tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, comportant la réinitialisation de la photodiode
(PD) par fermeture d'un transistor de réinitialisation (10) et injection d'une charge dans la photodiode pour la polariser en direct au début de la phase de mesure de la lumière reçue par la photodiode et obtenir une réponse logarithmique dans une plage de fonctionnement à large plage de températures.
15. Procédé selon la revendication 14, la plage de températures englobant au moins la plage -15°C à 60°C, mieux -50°C à 100°C.
16. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, et la revendication 1, la tension de la photodiode d'un pixel actif étant corrigée par la tension lue sur un pixel de référence, pour générer un signal représentatif de l'éclairement reçu par le pixel actif et indépendant de la température sur la plage de fonctionnement.
17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16 et les revendications 4 et 8, la rampe étant constituée par le front descendant d'un signal de commande du transistor de réinitialisation.
PCT/EP2016/050027 2015-01-09 2016-01-04 Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature WO2016110466A1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201680005390.9A CN107408564A (zh) 2015-01-09 2016-01-04 具有对数响应和扩展的温度操作范围的矩阵传感器
US15/542,113 US20180278866A1 (en) 2015-01-09 2016-01-04 Matrix sensor with logarithmic response and extended temperature operating range
JP2017536569A JP2018504780A (ja) 2015-01-09 2016-01-04 対数応答及び広範な温度作動範囲を有するマトリクスセンサ

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1550177 2015-01-09
FR1550177A FR3031623B1 (fr) 2015-01-09 2015-01-09 Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016110466A1 true WO2016110466A1 (fr) 2016-07-14

Family

ID=53758282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/050027 WO2016110466A1 (fr) 2015-01-09 2016-01-04 Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20180278866A1 (fr)
JP (1) JP2018504780A (fr)
CN (1) CN107408564A (fr)
FR (1) FR3031623B1 (fr)
WO (1) WO2016110466A1 (fr)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11211421B2 (en) * 2019-01-23 2021-12-28 Omnivision Technologies, Inc. Sensor comprising gate modulation with inductor to form a resonant circuit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020024058A1 (en) * 2000-08-16 2002-02-28 Marshall Gillian F. Photodetector circuit
WO2013088005A1 (fr) * 2011-12-14 2013-06-20 Societe Francaise De Detecteurs Infrarouges -Sofradir Matrice de détection avec suivi du comportement des photodétecteurs
US20130258144A1 (en) * 2012-03-28 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. System, apparatus and method for dark current correction
WO2014064274A1 (fr) * 2012-10-26 2014-05-01 New Imaging Technologies Structure d'un pixel actif de type cmos

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2943178B1 (fr) * 2009-03-13 2011-08-26 New Imaging Technologies Sas Capteur matriciel a faible consommation
FR3002691B1 (fr) * 2013-02-28 2016-10-28 E2V Semiconductors Capteur d'image avec grille d'anti-eblouissement

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020024058A1 (en) * 2000-08-16 2002-02-28 Marshall Gillian F. Photodetector circuit
WO2013088005A1 (fr) * 2011-12-14 2013-06-20 Societe Francaise De Detecteurs Infrarouges -Sofradir Matrice de détection avec suivi du comportement des photodétecteurs
US20130258144A1 (en) * 2012-03-28 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. System, apparatus and method for dark current correction
WO2014064274A1 (fr) * 2012-10-26 2014-05-01 New Imaging Technologies Structure d'un pixel actif de type cmos

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STUTENBAEUMER U ET AL: "Comparison of minority carrier diffusion length measurements in silicon solar cells by the photo-induced open-circuit voltage decay (OCVD) with different excitation sources", RENEWABLE ENERGY, PERGAMON PRESS, OXFORD, GB, vol. 20, no. 1, 1 May 2000 (2000-05-01), pages 65 - 74, XP004243954, ISSN: 0960-1481, DOI: 10.1016/S0960-1481(99)00089-0 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3031623B1 (fr) 2018-02-16
FR3031623A1 (fr) 2016-07-15
US20180278866A1 (en) 2018-09-27
CN107408564A (zh) 2017-11-28
JP2018504780A (ja) 2018-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2912690B1 (fr) Structure d'un pixel actif de type cmos
FR3046494A1 (fr) Pixel de detection de temps de vol
FR2705495A1 (fr) Dispositif de prise d'image à semiconducteur de type CCD ayant une structure à drain de débordement.
WO2009027449A1 (fr) Pixel actif cmos a tres grande dynamique de fonctionnement
FR3002691A1 (fr) Capteur d'image avec grille d'anti-eblouissement
EP2732473A1 (fr) Matrice de photodiodes ingaas
EP3155661B1 (fr) Procédé d'acquisition d'images au moyen d'un capteur d'images cmos
WO2013120890A1 (fr) Structure de pixel actif à transfert de charge amélioré
FR2662853A1 (fr) Detecteur d'image a dispositif a couplage de charge.
EP3155662B1 (fr) Structure de circuit de lecture à injection de charge
WO2014118308A1 (fr) Matrice de photodiode a zone dopee absorbant les charges
FR2945667A1 (fr) Capteur d'image integre a tres grande sensibilite.
WO2016110466A1 (fr) Capteur matriciel a reponse logarithmique et plage de fonctionnement etendue en temperature
EP2846357A1 (fr) Dispositif photodétecteur a regions de semi-conducteurs séparées par une barriàre de potentiel
EP2178288B1 (fr) Dispositif et procédé pour réaliser la lecture de courants électriques résultant d'un détecteur de signaux électromagnétiques
EP3304598A1 (fr) Capteur optique
Boukhayma Ultra low noise CMOS image sensors
FR2508709A1 (fr) Detecteur photonique a lecture a transfert de charges a l'etat solide, et cible de prise de vues utilisant un tel detecteur
WO2014060479A1 (fr) Capteur d'image a efficacite quantique amelioree dans les grandes longueurs d'onde
WO2010130951A1 (fr) Capteur d'image pour imagerie a tres bas niveau de lumiere
FR3138964A1 (fr) Dispositif de détection de débordement de charges pour pixel BSI
FR3066344A1 (fr) Procede de correction des non-uniformites dans les capteurs d'image
EP3000132A1 (fr) Matrice de photodiode à absorption réglable de charge

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16700388

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017536569

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15542113

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16700388

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1