Brevet FR2529388A1 — publié le 19831230

DISPOSITIF PHOTOSENSIBLE ASSURANT UN EFFET ANTI-EBLOUISSEMENT La présente invention concerne un dispositif photosensible assurant un effet anti-éblouissement. L'invention concerne le domaine des dispositifs photosensibles intégrés sur un substrat semi-conducteur. L'un des inconvénients de ces dispositifs est leur mauvaise résistance à l'éblouissement Lorsqu'un point du dispositif se trouve trop intensément éclairé, les charges injectées en ce point peuvent se répartir dans tout lè dispositif Il y a donc perte d'une partie de l'image correspondant à la présence de charges parasites. Pour supprimer cet inconvénient, il est connu d'utiliser des dispositifs anti-éblouissement (anti-blooming dans la littérature anglo-saxonne) Ces dispositifs absorbent les charges en excès Le signal de lecture des points suréclairés est écrêté, mais le reste du dispositif photosensible n'est pas perturbé. Dans l'art antérieur, l'adjonction d'un dispositif anti-éblouis- sement à un dispositif photosensible complique sérieusement la structure de base du dispositif photosensible. La présente invention concerne un dispositif photosensible assurant un effet anti-éblouissement et qui ne nécessite que peu de modifications de la structure de base du dispositif photosensible. L'invention concerne un dispositif photosensible assurant un eff et antiéblouissement, qui comporte au moins un détecteur photosensible Chaque détecteur est relié à une cellule d'intégration des charges, elle-même reliée à des moyens de lecture des charges. Selon l'invention: chaque cellule d'intégration est entourée de moyens imposant, au moins pendant le temps d'intégration des charges, un potentiel de surface donné; les détecteurs et les cellules d'intégration sont intégrés sur des substrats semi-conducteurs qui reçoivent des tensions de polari- sation différentes, et telles qu'en cas de suréclairement chaque détecteur se trouve polarisé à sa tension de circuit ouvert et ne débite plus de courant avant que le potentiel de surface de la cellule d'intégration ait atteint le potentiel de surface donné, ce qui produit un effet anti-éblouissement. Pour que l'invention puisse s'appliquer, il est nécessaire de pouvoir polariser différemment le substrat semi- conducteur portant les détecteurs et celui portant les cellules d'intégration. C'est le cas en particulier dans les dispositifs photosensibles pour la détection de Pinfra-rouge o les détecteurs et les cellules d'intégration sont intégrés sur deux substrats différents On utilise, par exemple, le tellurure de cadmium et de mercure ou l'anti- moniure d'indium pour les détecteurs infra-rouge, et, par exemple, le silicium ou l'arséniure de gallium, pour les cellules d'intégration et les moyens de lecture. La description suivante sera faite dans le cas d'un dispositif photosensible pour la détection de Pinfra-rouge, utilisant deux substrats différents, mais il est bien entendu que l'invention s'applique aux dispositifs photosensibles pour la détection d'un rayonnement de longueur d'onde quelconque Lorsque le dispositif photosensible est intégré sur un seul substrat semi-conducteur, il faut pouvoir polariser différemment la partie du substrat portant les détecteurs et celle portant les cellules d'intégration, en utilisant, par exemple, des caissons d'isolement. Il faut signaler que l'invention assure un anti-éblouissement parfait au niveau de l'intégration du signal Il ne peut y avoir débordement des charges d'une cellule d'intégration vers les cellules voisines Dans Pun de ses modes de réalisation, l'invention assure également un antiéblouissement parfait au niveau des moyens de lecture On peut dimensionner les moyens de lecture en fonction de la quantité de charges maximum qui peut être transférée de chaque cellule d'intégration. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures annexées qui représentent: la figure la, le schéma d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, et les figures lb, et c, des schémas représentant les potentiels de surface dans les substrats sur lesquels est intégré ce dispositif à deux instants t 1 et t 2 la figure 2, les caractéristiques de la photodiode et du transistor MOS faisant partie de la cellule d'intégration des charges; les figures 3 et 4, des schémas équivalents au dispositif de la figure 1; du la figure 5, le schéma, vu de dessus, d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; les figures 6 a à f et 7 a à e, les schémas de deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention et des schémas montrant l'évolution, en fonction du temps, du potentiel de surface dans le substrat; les figures 8 a et b, deux signaux d'horloge appliqués aux dispositifs selon l'invention représentés sur les figures 6 a et 7 a. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure la est le schéma d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. A titre d'exemple sur la figure la, le détecteur photosensible 1 qui est utilisé est une photodiode L'invention s'applique quel que soit le détecteur infra-rouge utilisé, et donc aussi par exemple, lorsque le détecteur utilisé est du type grille-isolant-semi- conducteur. L'anode A de la photodiode 1 reçoit une tension de polarisation VP 2 Sa cathode K est reliée par une connexion 2 à une cellule d'intégration des charges créées dans la photodiode 1 par le rayon- nement à détecter, qui est symbolisé par une flèche ondulée. Comme cela est représenté sur la figure 5 qui est une vue de dessus d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les détecteurs photosensibles 1 sont intégrés sur un substrat semi- conducteur 3 différent de celui qui porte la référence 4 et sur lequel sont intégrées les cellules d'intégration des charges et le reste du dispositif photosensible Le substrat semi-conducteur 4 reçoit une tension de polarisation V Pl. L'invention concerne les dispositifs photosensibles comportant au moins un détecteur 1 Il est bien entendu que le dispositif selon l'invention peut comporter plusieurs détecteurs 1 Ces détecteurs peuvent être alignés comme sur la figure 5 ou, par exemple, disposés en matrice. Chaque cellule d'intégration des charges comporte une diode D constituée par une zone de type N réalisée dans le substrat semi- conducteur 4, en silicium de type P, par exemple Cette diode D est reliée par une connexion 2 à la cathode K d'une photodiode 1 Une grille G 1 sépare chaque diode D d'une capacité C de stockage-des charges, constituée par une grille GC, une couche d'isolant et le substrat Sur la figure la, par souci de clarté, on n'a pas représenté la couche d'isolant qui sépare les diverses grilles de la surface du substrat semi-conducteur 4 Une grille G 2 sépare chaque capacité C de moyens de lecture des charges Ces moyens peuvent être constitués par un registre à décalages à transfert de charges R à entrées parallèles reliées aux cellules d'intégration et à sortie série reliée à un amplificateur qui n'est pas représenté. Des diffusions d'isolement 5, de même type que le substrat mais fortement dopées, délimitent longitudinalement chaque cellule d'intégration dés charges Ces cellules sont limitées transver- salement par la grille G 2 et par une grille G 0, située à proximité des diodes D et séparée de la grille G 1 par les diodes D. Le registre R joue le rôle d'un multiplexeur Ainsi, il y a une seule connexion de sortie et un seul amplificateur est nécessaire. On peut utiliser un muliplexeur réalisé autrement que par un registre à décalages à transfert de charges. De même, il est possible d'utiliser des moyens de lecture comportant autant d'amplificateurs qu'il y a de détecteurs. On va maintenant étudier le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Les figures lb et c représentent le potentiel de surface dans les substrats 3 et 4 sur lesquels est intégré le dispositif, à deux instants t et t 2. Les figures 3 et 4 sont des schémas équivalents du dispositif aux instants t et t I 2 ' La figure lb représente la situation en cas d'éclairement normal ou au début du temps d'intégration, s'il y a suréclairement. La diode D, la grille G 1 et la capacité C de chaque cellule d'intégration constituent un transistor MOS T dont la diode D est la source et dont la capacité C est le drain induit. Ce transistor MOS est polarisé en régime de saturation car la tension continue Vc appliquée à la grille GC est supérieure à la tension continue VGI appliquée à la grille G 1 Le niveau des charges sur la diode D s'aligne sur le potentiel constant existant sous la grille G 1 La cathode K de la photodiode reçoit une polarisation sensiblement constante et les charges créées dans le détecteur par le rayonnement sont stockées dans la capacité C, comme cela est représenté symboliquement sur la figure lb, o les zones hachurées indiquent la présence de porteurs minoritaires par rapport aux substrat 4. Les diffusions d'isolement 5 qui limitent longitudinalement-les cellules d'intégration imposent un potentiel de surface sensiblement égal à la tension de polarisation V Pl du substrat 4. On applique aux grilles Go et G 2 des tensions de polarisation VGO et VG 2 telles que, par exemple, le potentiel de surface sous ces grilles soit sensiblement égal à la tension de polarisation V Pl du substrat 4. A gauche sur la figure lb, on a représenté les potentiels de l'anode et de la cathode de la photodiode 1 L'anode est au potentiel fixe VP 2, qui a été choisi égal à O Volt, et la cathode est à un potentiel positif imposé par la grille G 1. La figure 3 est le schéma équivalent au dispositif de la figure la à l'instant t 1. Le courant de la photodiode 1 charge à travers le transistor MOS T en saturation la capacité C. Sur la figure 2, on a représenté en fonction du courant allant de l'anode vers la cathode IAK et de la différence de tension entre la cathode et l'anode VK-VA les caractéristiques de la photodiode a et du transistor MOS T b L'intersection de ces deux caractéristiques donne le point de fonctionnement P du dispositif. Tant que la capacité de stockage C n'est pas remplie, le point de fonctionnement reste en P La figure Ic représente les potentiels de surface à l'instant t 2, alors que la capacité de stockage est saturée Les charges s'accu- mulent alors non seulement dans la capacité de stockage mais aussi sous la grille G 1, sur la diffusion d'entrée D et sur la connexion 2 entre la photodiode 1 et la diffusion D La cellule d'intégration ne se comporte plus comme un transistor en régime de saturation mais comme une capacité CS qui est la somme de la capacité de stockage C, de la capacité existant sous G 1, de la capacité de la diffusion d'entrée D et de la capacité de la connexion 2 entre la photodiode et la diffusion d'entrée La figure 4 représente le schéma équivalent du dispositif à l'instant t 2 La photodiode 1 charge la capacité C 5. A partir de Pinstant o la capacité de stockage C est saturée et o la cellule d'intégration ne se comporte plus comme un transistor MOS, le point de fonctionnement se déplace sur la caractéristique a de la photodiode Il se trouve en Pl lorsque la tension de polarisation VK de la cathode égale celle VA de l'anode. Si le suréclairement continue, le point de fonctionnement arrive en P 2, o il se fixe et o le niveau des charges dans la cellule d'intégration se bouge plus En P 2, la photodiode est polarisée à sa tension de circuit ouvert et elle ne débite plus de courant (IAK = O). Même si la photodiode continue a être suréclairée le niveau des charges reste fixe dans la cellule dintégration. On a donc réalisé un anti-éblouissement parfait pendant le temps d'intégration du signal Il y a écrêtage du signal de sortie des points suréclairés mais il ne peut y avoir débordement des charges d'une cellule d'intégration vers les cellules voisines. Sur la figure lc à gauche, on voit qu'à l'instant t 2 la tension de polarisation de la cathode est devenue inférieure à celle de l'anode qui rappelons-le est fixe. Pour que l'anti-éblouissement soit efficace, il faut d'une part que chaque cellule d'intégration soit entourée de moyens, qui peuvent être par exemple des grilles ou des diffusions d'isolement, qui imposent, au moins pendant le temps d'intégration des charges, un potentiel de surface donné, et d'autre part, il faut que les tensions de polarisation V Pl et VP 2 soient différentes, et telles qu'en cas de suréclairement chaque détecteur se trouve polarisé à sa tension de circuit ouvert et ne débite plus de courant avant que le potentiel de surface de la cellule d'intégration ait atteint le potentiel de surface donné. En général, comme dans l'exemple de la figure 1, le potentiel de surface donné est choisi sensiblement égal à la tension de polarisation V Pl du substrat 4 sur lequel sont intégrées-les cellules d'intégration des charges. Par exemple dans le cas de la figure 1, on a choisi: = OV et V Pl négatif égal par exemple à -3 V Ainsi la cellule d'intégration est limitée par des zones à un potentiel de 3 V alors que le niveau des charges dans la cellule ne dépasse pas V Co, qui est la tension de circuit ouvert de la photodiode et qui est égale à 10 à 50 m V environ. Dans ce cas, on aurait pu appliquer à G O et G 2 des tensions de polarisation telles que ces grilles imposent un potentiel de surface de, par exemple, 2 V ou 1 V et en tous cas légèrement inférieur à m V. Dans un substrat semi-conducteur, le potentiel de surface qui peut être obtenu dépend de la tension de polarisation et du type du substrat Ainsi dans le cas d'un substrat de type P polarisé à 3 V, on ne peut obtenir un potentiel de surface inférieur à 3 V La tension de polarisation V Pl du substrat 4 doit donc être choisie en tenant compte de la tension de polarisation V P 2 du substrat 3 et de la tension de circuit ouvert des détecteurs Lorsque le potentiel de surface donné est choisi sensiblement égal à la tension de pola- risation V Pl du substrat 4, la relation suivante doit être vérifiée I Vp P -'Vp 21 l I Vco I La quantité de charges présentes dans l'étage d'entrée à la fin de la période d'intégration est donc parfaitement connue et limitée à la cellule d'intégration Cette quantité de charges ne dépend, mises à part les tensions de polarisation du dispositif, que de la tension de circuit ouvert des photodiodes Or cette tension dépend peu de l'éclairement des photodiodes et peut être majorée sans problèmes. Le problème se pose maintenant de réaliser un anti-éblouis- sement parfait au niveau des moyens de lecture. Pour transférer les charges stockées de la cellule d'intégration vers le registre R, on augmente, à la fin de la période d'intégration, la tension VG 2 appliquée à la grille G 2, comme cela est représenté sur la figure 8 a. Le niveau des charges dans la cellule d'intégration diminue et le point de fonctionnement se déplace de P 2 vers P O La photodiode se remet à débiter du courant Les électrons qu'elle fournit tra- versent la cellule d'intégration et sont stockés, dans le registre R Il peut donc arriver qu'à cause de la quantité de charges débitée par la photodiode durant le transfert des charges vers le registre, le registre se trouve saturé et son fonctionnement perturbé Il faut cependant noter que la durée du transfert des charges est faible devant la durée de la période d'intégration des charges. Pour éviter cela on diminue la tension VGî appliquée à la grille G 1, comme èla est représenté sur la figure 8 b Cette diminution se produit à un instant t 3 avant que se produise l'augmen- tation de V G 2 à l'instant t 4. Les figures 6 d et e représentent le potentiel de surface dans le substrat aux instants t 3 et t 4. A l'instant t 3, la diffusion d'entrée D est isolée par la grille G de la capacité de stockage C. A l'instant t 4, la grille G 2 permet le transfert des charges stockées par la capacité C vers le registre R. A l'instant t 5 -figure 6 f la tension VG 2 revient au niveau bas. A l'instant t 6 figure 6 h la tension VGI revient au niveau haut et une nouvelle période d'intégration des charges commence. La tension V Gl appliquée à la grille G 1 de t 3 à t 5 est telle que cette grille impose un potentiel de surface constant interdisant le transfert des charges de la diode O vers la capacité de stockage Ce de surface peut être choisi sensiblement égal à V Le registre à décalages est dimensionné pour pouvoir recevoir la quantité de charges maximum qui peut provenir de chaque capacité de stockage Dans le mode de réalisation de la figure 6 a, cette quantité de charges est égale à la quantité de charges maximum qui peut être stockée par chaque capacité de stockage des charges avantque le photodétecteur se trouve polarisé à sa tension de circuit ouvert. Les figures 7 a à e représentent le schéma d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention et des schémas montrant l'évolution du -potentiel de surface dans le substrat à divers instants. Ce mode de réalisation comporte, par rapport à celui repré- senté sur les figures la et 6 a, une grille supplémentaire G 3 entre la diffusion d'entrée D et la grille G 1 La grille G 3 impose un potentiel de surface constant Elle assure la polarisation de la cathode de la photodiode 1. La grille G 3 est suivie par la grille G 1 qui pendant la période d'intégration impose un potentiel constant supérieur à celui imposé par G 3, la grille G 1 n'intervient donc pas dans la polarisation de la cathode K'du détecteur De t 3 à t 5, la tension VG 1 appliquée à la grille G 1 diminue et cette grille isole la diffusion d'entrée D de la capacité de stockage pendant le temps de transfert des charges. La grille G 3 permet de fixer avec plus de précision le point de fonctionnement Pl des détecteurs non suréclairés En effet, la grille G 3 qui polarise la cathode du détecteur est en permanence à une tension constante, qu'il est plus facile de fixer avec précision, qu'une tension en créneaux comme celle qui est appliquée à la grille G 1. Par ailleurs, la grille G 3 joue le rôle d'écran pour protéger la diffusion d'entrée D des parasites créés par les impulsions appliquées sur la grille G 1. Pour réaliser un anti-éblouissement parfait au niveau des moyens de lecture, il faut donc que chaque cellule d'intégration des charges comporte des moyens qui, d'une part, participent à la polarisation du détecteur et qui, d'autre part, à la fin du temps d'intégration des charges, interdisent le transfert de charges en provenance de la diode D. Les figures 6 a et 7 a montrent deux modes de réalisation de l'invention o ces moyens sont constitués par la grille G 1 et par les grilles G 3 et G 1. La description précédente a été faite dans le cas de photo- diodes ayant une anode commune, mais Pinvention s'applique aussi dans le cas o les photodiodes ont leur cathode commune De même, le substrat 4 sur lequel sont réalisées les cellules d'intégration, et éventuellement les moyens de lecture, est indifférement de type P ou N; la grille Go peut être remplacée par une diffusion d'isolement et les diffusions d'isolement 5 peuvent être remplacées par des grilles. 1 1 REVENDICATIONS 1 Dispositif photosensible assurant un effet anti-éblouis- sement, comportant au moins un détecteur photosensible ( 1), chaque détecteur étant relié à une cellule d'intégration des charges, elle- même reliée à des moyens de lecture des charges, caractérisé en ce que: chaque cellule d'intégration est entourée de moyens imposant, au moins pendant le temps d'intégration des charges, un potentiel de surface donné; les détecteurs ( 1) et les cellules d'intégration sont intégrés sur des substrats semi-conducteurs ( 3, 4) qui reçoivent des tensions de polarisation (VP 2, VPI) différentes, et telles qu'en cas de suréclairement chaque détecteur se trouve polarisé à sa tension de circuit ouvert et ne débite plus de courant avant que le potentiel de surface de la cellule d'intégration ait atteint le potentiel de surface donné, ce qui produit un effet anti-éblouissement. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le potentiel de surface donné est sensiblement égal à la tension de polarisation (Vp P) du substrat ( 4) sur lequel est intégrée chaque cellule d'intégration. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque cellule d'intégration des charges comporte: une diode (D) reliée au détecteur ( 1); une capacité de stockage des charges (C); des premièrs moyens participant à la polarisation du détecteur; des seconds moyens, positionnés entre la capacité de stockage (C) et les moyens de lecture, qui imposent, pendant le temps d'intégration des charges, un potentiel de surface égal au potentiel de surf ace donné et qui imposent, à la fin du temps d'intégration des charges, un potentiel de surface permettant le transfert des charges vers les moyens de lecture. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, à la fin du temps d'intégration des charges, les premiers moyens interdisent le transfert de charges en provenance de la diode (D), et en ce que les moyens de lecture sont dimensionnés pour recevoir la quantité de charges maximum pouvant provenir de la capacité de stockage (C). Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens sont constitués par une première grille (G 1), placée entre la diode (D) et la capacité de stockage des charges (C), cette première grille imposant un potentiel de surface constant. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers moyens sont constitués par une première grille (G 1), placée entre la diode (D) et la capacité de stockage des charges (C), cette première grille imposant, pendant le temps d'intégration des charges, un premier potentiel de surface constant, qui participe à la polarisation du détecteur et cette première grille imposant, à la fin du temps d'intégration des charges, un second potentiel de surface constant qui interdit le transfert des charges en provenance de la diode (D) vers la capacité de stockage (C). 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers moyens comportent, entre la diode (D) et la capacité de stockage (C) de chaque cellule d'intégration, une troisième grille (G 3) qui impose un potentiel de surface constant et qui participe à la polarisation du détecteur, cette troisième grille étant suivie par une première grille (G 1) qui, pendant le temps d'intégration des charges, impose un premier potentiel de surface constant permettant le transfert des charges de la diode vers la capacité de stockage et qui, à la fin du temps d'intégration des charges, impose un second potentiel de surface constant interdisant ce transfert. 8 Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en oe que le second potentiel de surface constant imposé par la première grille (G 1) est sensiblement égal à la tension de pola- risation (V Pl) du substrat ( 4) sur lequel elle est intégrée. 9 Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en oe que les seconds moyens sont constitués par une deuxième grille (G 2). Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens qui entourent chaque cellule d'intégration des charges sont constitués d'une part, par la deuxième grille (G 2) et d'autre part par des grilles (G 0) ou/et par des diffusions d'isolement ( 5) de même type que le substrat ( 4). 11 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que les moyens de lecture sont constitués par un registre à décalages à transfert de charge (R) à entrées parallèles reliées aux cellules d'intégration et à sortie série reliée à un amplificateur. 12 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les détecteurs ( 1) sont des photodiodes ou des détecteurs du type grille-isolant-semi-conducteur. 13 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'ensemble du dispositif photosensible est intégré sur le même substrat semi-conducteur.