Brevet FR2620260A1 — publié le 19890310

PHOTOSENSEUR LINEAIRE A TEMPS D'INTEGRATION VARIABLE La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs photosensibles, et plus précisément des barettes linéaires photosensibles constituées d'une ligne de photodiodes couplées à un registre de lecture à transfert de charges. L'lnvention s'applique aussi A des matrices de photodiodes, c'est-A-dire à des groupes de barettes linéaires juxtaposées parallèlement les unes aux autres. La figure 1 représente schématiquement une organisation classique de barette de photodiodes. Les diodes photosensibles sont désignées par la référence 10; elles sont juxtaposées pour former une ligne 12. Chaque photodiode est isolée de ses voisines et est reliée, par l'intermédiaire d'une porte commandée, à une case respective d'un registre à décalage fonctionnant par transfert de charges; les portes commandées ne sont pas représentées sur la figure I. En pratique il y 8 deux demi-registres 14 et 16 placés de part et d'autre de la ligne de photodiodes; deux photodiodes adjacentes sont reliées respectivement l'une à une case de l'un des demi-registres et l'autre à une case de l'autre demi-registre; cette disposition est classiquement utilisée parcequ'une case de registre à transfert de charge est sensiblement plus encombrante qu'une photodiode élémentaire et on gagne donc de la place en divisant le registre en deux. Ceci permet aussi d'abaisser d'un facteur deux la fréquence d'horloge du registre. Les sorties des demi-registres sont multiplexées pour reconstituer un ordre d'arrivée de signaux correspondant à l'ordre des photodiodes de la ligne 12.La sortie multiplexée est reliée à un circuit de lecture comprenant essentiellement une capacité de lecture 18 (en pratique constituée par une jonc tion semiconductrice polarisée en inverse), un transistor de précharge 20 rendu conducteur et bloqué selon un cycle synchronisé par rapport au cycle de décalage des registres, et un ampli fixateur 22 éventuellement suivi d'un échantillonneurbloqueur non représenté. Pour mémoire, on rappellera que les registres à transfert de charges sont masqués par une couche d'aluminium, tandis que les photodiodes sont exposées à la lumière (visible ou infrarouge) pour engendrer des charges négatives (électrons) d'autant plus abondantes que l'éclairement est plus intense. L'invention s'intéresse aux photosenseurs dans lesquels l'élément photosensible est une photodiode et dans lesquels le stockage des charges engendrées par l'illumination se fait essentiellement dans la photodiode elle-même. L'un des problèmes que l'on cherche à résoudre est la pos sibilité de réduire le temps pendant lequel des charges s'aecumu- lent dans la photodiode, de manière à éviter la saturation dans le cas d'un éclairement trop intense, et ceci sans modifier -la durée de la lecture de la ligne. Le photosenseur fonctionne cycliquement à un rythme qui est celui du registre à transfert de charge : en pratique, les photodiodes sont illuminées et accumulent progressivement des charges pendant une durée que l'on appelle le temps d'intégration Ti, après quoi les charges accumulées dans chaque photodiode sont déversées dans une case respective du registre à transfert de charge; puis une nouvelle durée d'intégration Ti commence pendant que le registre transfère pas à pas les charges vers sa sortie. la durée nécessaire au transfert est d'autant plus grande que la barrette ~ comprend plus de photodiodes; le temps d'intégration Ti est donc imposé par la rapidité du registre; en cas d'éclairement trop intense, il se peut que cette durée conduise à une accumulation de charges trop importante qui sature les photodiodes; au lieu que le signal de sortie du registre représente fidèlement l'intensité d'éclairement à l'endroit de chaque photodiode, le signal sera saturé et uniforme partout où l'éclairement dépassera un certain seuil. Un but de l'invention est donc d'éviter cette saturation. On a déjà proposé, pour atteindre ce but, d'empêcher l'accumulation de charges dans la photodiode pendant une fraction de la durée théorique d'intégration Ti; si on appelle Timax la durée d'intégration maximale pendant laquelle on peut accumuler des charges dans la photodiode lorsqu'il n'y a pas de risque de saturation, on prévoit d'inhiber l'accumulation pendant une partie To de la durée Timax; cette partie To peut avoir une durée réglable en fonction des besoins, et notamment en fonction de l'éclairement moyen ou l'éclairement maximal à un instant donné. Les dispositifs de limitation du temps d'intégration qui ont été proposés jusqu'à maintenant comprennent un transistor à effet de champ à grille isolée dont la source est constituée par la zone d'accumulation de charges de la photodiode, dont le drain est constitué par une zone semiconductrice, écartée de la zone d'accumulation de charges, dont le canal est constitué par l'intervalle entre ces deux zones, et dont la grille de commande est située au dessus de ce canal. Le principe de fonctionnement de ce transistor d'antiéblouissement est le suivant: au début de chaque nouvelle période d'intégration, on polarise la grille et le drain du transistor de manière telle que le transistor soit conducteur et que toute charge engendrée par l'éclairement de la photodiode se déverse immédiatement dans le drain du transistor. Au bout d'un temps variable, on bloque le transistor en appliquant sur sa grille un potentiel suffisamment négatif pour constituer une barrière de potentiel empêchant le déversement des charges de la photodiode vers le drain du transistor. Les charges engendrées par l'éclairement peuvent donc s'accumuler dans la photodiode pendant ce qui reste du temps d'intégration disponible.A la fin du temps d'intégration maximal Timax, les charges accumulées sont vidées dans le registre à décalage, mais l'intégration effective n'aura duré qu'un temps Ti plus court que Timax; par réglage du temps To d'inhibition de l'accumulation des charges on réalise en quelque sorte un diaphragme électronique empêchant la saturation du signal de sortie. La figure 2 représente en coupe la structure de photodiode correspondant à ce dispositif d'antiéblouissement de l'art antérieur; sur cette figure, la zone d'accumulation de la photodiode est désignée par la référence 24 (région de type N diffusée dans un substrat épitaxié de type P); d'un côté de la zone 24, on trouve une électrode de transfert GP, commandée par une phase ~p, reliant la photodiode au registre à transfert de charge à la fin de chaque période d'intégration; l'autre côté de la zone 24 constitue la source du transistor d'antiéblouissement TAE dont le drain est une zone de type N 26 séparée de la zone 24; la grille de ce transistor est désignée par la référence Gae. On notera que la grille et le drain du transistor TAIE peuvent être réunies et recevoir un même signal de commande à un potentiel VAE si le transistor a une tension de seuil positive. La figure 3 représente les profils de potentiels sous les différentes régions de la structure de la figure 2; conformément à l'habitude en matière de dispositifs à transfert de charges, les potentiels positifs vont en croissant vers le bas Pendant l'inhibition de l'accumulation des charges, on applique à la grille du transistor TAIE un potentiel tel que le potes tiel de canal du transistor soit VABO égal au potentiel VO imposé sous la porte de transfert Gp pendant la phase de déversement de charges ~p; simultanément, on impose au drain du transistor TAIE un potentiel VABO supérieur à VABO. Toute charge engendrée dans la zone 24 se déverse dans le drain du transitor TAIE. Pour faire cesser l'inhibition. on applique à la grille du transistor TAIE un potentiel tel que le potentiel de canal sous cette grille descende à un niveau VABI constituant une barrière de potentiel efficace contre le déversement de charges dans le drain, ceci même lorsque la photodiode a accumulé le maximum de charges admissible; le drain du transistor est alors porté à un potentiel bas VAE1 dont la valeur n'a pas grande importance pourvu qu'elle soit supérieure à VAB1. Pendant le transfert de charges de la zone 24 vers le registre à décalage (phase #p), le potentiel appliqué à la grille de transfert Gp est tel que le potentiel imposé sous cette grille soit égal à une valeur de référence VO. En dehors de la phase de transfert ~p, on applique à la grille un potentiel bas tel que le potentiel imposé sous la grille ait une valeur basse V1 constituant une barrière de potentiel pour les charges stockées dans la zone 24. Sur la figure 3, la zone hachurée représente la croissance du potentiel de la zone 24 d'une valeur VO à une valeur VS au cours de l'accumulation de charges engendrées par l'illumination. La figure 4 représente un diagramme temporel des signaux de commande du photosenseur à temps d'intégration variable ainsi décrit: ~p représente la phase de déversement de charges; sa périodicité est celle du cycle de fonctionnement du registre à décalage; deux impulsions successives sont séparées par le temps d'intégration maximal Timax. VGAE représente un signal de commande permettant d'engendrer les potentiels VABO et VABO pendant une fraction To de la durée Timax et les potentiels VAB1 et VAE1 pendant le reste de cette durée. ~ced représente les signaux de décalage du registre à décalage pendant l'intervalle de temps Timax. L'invention résulte de la constatation que cette structure peut introduire des non linéarités dans le signal produit par la barrette. Ces non-linéarités proviennent des dispersions inévitables sur les valeurs relatives des potentiels qu'on cherche à imposer notamment sous la grille Gae et sous la grille Gp. En effet, le dispositif ne fonctionne correctement que si le potentiel VABO qu'on impose sous la grille Gae est rigoureusement égal au potentiel VO qu'on impose sous la grille de trans fert Gp. Pendant la phase ~p de déversement des charges de la zone d'accumulation de la photodiode vers le registre à décalage, le potentiel de cette zone d'accumulation s'aligne sur le potentiel VO. Si VABO est inférieur à VO, une certaine accumulation de charges se produira pendant la durée To alors qu'on devrait être en phase d'inhibition d'accumulation Cette accumulation se poursuivra jusqu'a ce que le potentiel de la zone d'accumulation soit descendu de la valeur VO à la valeur VABO; puis l1accumula- tion sera inhibée (le surplus de charges se déversant dans le drain du transistor TAE) et elle ne reprendra que lorsque la durée To sera terminée; il nty a donc pas corrélation exacte entre la durée To et la phase d'inhibition. Inversement, si VABO est supérieur à VO, le potentiel de la zone d'accumulation 24 va s'aligner sur le potentiel VABO pendant toute la durée To; au moment où cessera l'inhibition de l'intégration, la zone 24 va commencer à accumuler des charges; la première partie des charges va faire descendre le potentiel jusqu'à la valeur VO; la deuxième partie va continuer à le faire descendre au dessous de VO; le signal véritablement représentatif de l'éclairement est constitué par la totalité des charges accumulées pendant la durée Timax-To (première partie + deuxième partie) mais à la fin de l'intégration seule la deuxième partie sera transférée dans le registre car la porte de transfert ne vide que les charges qui correspondent à un potentiel inférieur à VO. Le signal utile ne sera donc pas exactement représentatif de l'éclairement intégré pendant la durée Timax-To. On comprendra facilement que les dispersions technologiques rendent particulièrement difficile l'obtention d'une égalité précise entre le potentiel imposé par le transistor TAIE et le potentiel imposé par la porte de transfert Gp. On comprendra aussi que le déséquilibre introduit par les différences entre ces potentiels est d'autant plus gênant que le signal utile est plus faible. La non-linéarité du détecteur photosensible est donc marquée du côté des faibles signaux. Pour éviter cet inconvénient, la présente invention propose une solution permettant d'obtenir une linéarité du détecteur tout en réalisant la fonction de temps d'intégration variable. Selon l'invention, on prévoit d'une part une grille de stockage de charges, adjacente à la zone d'accumulation de charges de la photodiode et alimentée par un potentiel suffisant pour que la jonction entre le substrat sous cette grille et la zone d'accumulation soit polarisée en direct à tout moment, et d'autre part une grille de commande de temps d'intégration, adjacente à la grille de stockage et à une zone de drain séparée de la zone d'accumulation de charges, la grille de commande recevant soit un signal de blocage empêchant le passage des charges stockées sous la grille de stockage vers la zone de drain, soit un signal de mise en conduction autorisant ce passage. La grille de transfert entre la zone d'accumulation de charges de la photodiode et le registre à décalage est en principe adjacente à la grille de stockage. Grâce à cette structure, le potentiel de la zone d'accumulation de charges de la photodiode s'aligne sur un potentiel fixe imposé par la grille de stockage (d'autant plus rigoureusement que cette dernière a une capacité largement supérieure à celle de la grille de transfert et à celle de la grille de commande), ceci aussi bien pendant le transfert de charges vers le registre à décalage (phase ~p) que pendant la durée To d'inhibition de l'accumulation de charges. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: -les figures 1 à 4 déjà décrites expliquent la structure et le fonctionnement de photosenseurs pourvus de dispositifs de limitation du temps d'intégration selon la technique antérieure; - la figure 5 représente, en vue de dessus, la structure d'un élément de photodiode associé à une grille de stockage et à un transistor de commande de temps d'intégration selon l'lnven- tion; - la figure 6a représente une coupe de la figure 5 selon une ligne AA, et la figure 6b représente une coupe de la figure 5 selon une ligne BB;; - la figure 7a représente le profil des potentiels à l'intérieur du semiconducteur le long de la coupe de la figure 6a , et la figure 7b représente le profil des potentiels le long de la coupe de la figure 6b. Les figures 5, Sa et 6b doivent être examinées ensemble pour la compréhension de la structure selon l'invention. A titre d'exemple, la photodiode est constituée par une zone 34 de type N diffusée dans un substrat de type P. C'est essentiellement dans cette zone 34 que s'accumulent les charges négatives engendrées par l'éclairement de la photodiode. Classiquement, un masque d'aluminium 36 délimite une fenêtre à travers laquelle une partie de la photodiode est illuminée, le reste de la structure étant masqué. Sur la figure 5,- trois photodiodes adjacentes 34, 38, 40, sont représentées mais on ne s'intéressera ci-après qu'à la structure de la photodiode 34 et à sa liaison avec le registre à décalage (ce dernier n'étant pas représenté). Les photodiodes 38 et 40 sont d'ailleurs reliées à une portion de registre située de l'autre côté de la portion de registre relié à la photodiode 34 (comme à la figure 1). Les photodiodes sont isolées les unes des autres par exemple par de l'oxyde épais. Adjacente à la région 34 de type N, on trouve une région de substrat de type P désignée par la référence 42, qu'on peut appeler région de stockage, recouverte par une grille isolée Gst qu'on appellera grille de stockage, reliée à un potentiel fixe Vst. Adjacente å la région 42, on trouve d'une part une autre région de substrat de type P 44 recouverte par une grille Gp qui est la grille servant à commander le transfert de charges de la photodiode vers le registre à décalage à la fin de chaque période d'intégration, et d'autre part une région de substrat 46 de type P recouverte par une grille de commande Gae servant à la commande d'inhibition de l'intégration. La région 44 sous la grille de transfert Gp est située entre la région 42 et une autre région 48 de type P du substrat, cette région faisant partie du registre à décalage et étant recouverte par une grille Gr visible à la figure Sa et faisant partie intégrante du registre. La région 46 sous la grille de commande Gae est située entre la région 42 et une région de drain 50 de type N servant à l'évacuation des charges en présence d'un signal de commande d'inhibition de l'intégration. La grille de stockage Gst est portée à un potentiel Vst qui est en principe fixe et qui est tel que le potentiel VSO imposé dans la région P 42 par la grille Gst en l'absence de charges stockées par la photodiode (par exemple juste après la fin de la phase ~p) soit inférieur au potentiel VO imposé dans la région 44 par la grille de transfert Gp à la fin de chaque période d'intégration et soit aussi inférieur au potentiel VABO imposé par la grille de commande Gae pendant la période d'inhibition. On choisit la valeur du potentiel Vst suffisamment faible pour que malgré les dispersions technologiques VSO reste obligatoirement inférieur à la fois à VO et à VABO. Cependant Vst doit être suffisamment élevé pour polariser en direct la jonction entre les régions 42 et 34 quelle que soit la quantité de charges stockées par la photodiode dans la limite désirée pour le bon fonctionnement du dispositif. D'autre part, Vst doit naturellement être aussi élevé que possible pour constituer un puits de potentiel sous la grille Gst, ce puits étant bien fermé par les barrières de potentiel imposées sous la grille de transfert Gp et sous la grille de commande d'inhibition Gae pendant le temps d'intégration effective des charges engendrées dans la photodiode. Pendant le temps d'intégration effective des charges engendrées par la photodiode, la grille de transfert Gp et la grille de commande d'inhibition Gae sont maintenues â un potentiel bas et bloquent tout transfert de charges soit vers le registre à décalage soit vers la zone N 50. Pour inhiber l'intégration au début d'un nouveau cycle, on porte la grille Gae à un potentiel élevé VABO, ce qui permet le transfert vers la zone 50 des charges qui sont portées au potentiel VSO plus faible que VABO. Ces charges sont stockées à la fois dans la zone N 34 et sous la grille de stockage Gst puisque cette grille n'impose pas de barrière de potentiel vis-à-vis de la photodiode mais au contraire maintientla jonction PN en état de polarisation directe. Pour que le potentiel de la zone d'accumulation 34 de la photodiode s'aligne bien sur le potentiel imposé par la grille de stockage Gst même pendant la phase ~p et pendant l'inhibition de l'intégration, il est souhaitable que la capacité globale de la photodiode et de la grille Gst par rapport au substrat soit relativement élevée par rapport à la capacité de la grille de transfert Gp et par rapport à la capacité de la grille de commande d'inhibition Gae. Ceci ne présente toutefois pas de difficulté car la capacité de la photodiode elle-même est relativement élevée. La figure 7a représente le profil de potentiels dans le substrat selon la ligne AA. Sous la grille de stockage Gst, le potentiel est maintenu à une valeur maximale VSO imposée par l'application du potentiel fixe Vst à cette grille, ceci pendant toutes les phases du cycle de fonctionnement du dispositif. Dans la zone d'accumulation de charges de la photodiode, c'est-à-dire dans la région N 34, le potentiel est maintenu à la même valeur que sous la grille de stockage Vst. La grille de transfert Gp maintlent une barrière de potentiel à un niveau bas V1 en dehors de la phase ~p; elle monte ce potentiel à une valeur VO supérieure à VSO pendant la phase de déversement ~p. La figure 7b représente le profil de potentiels dans le substrat selon la ligne BB. Le potentiel imposé sous la grille de commande Gae est VABO supérieur à VSO pendant la durée déslrée pour l'inhibition de l'intégration; il est abaissé à VAB1 lorsque l'accumulation de charges est à nouveau autorisée. Pendant l'inhibition, le potentiel de la zone de drain 50 est VAEO supérieur à VABO. On peut commander la grille Gae et le drain 50 soit par des signaux à des niveaux de potentiels différents, soit par un seul signal VGAE (commue à la figure 4) si le substrat sous la grille Gae possède un dopage qui est nettement de type P (substrat non déplété). Il est à noter que dans certaines réalisations on préférera prévoir que les régions 42, 44, 48 sont superficiellement dopées de type N pour repousser à une certaine profondeur dans le substrat les charges stockées et transférées. REVENDICATIONS 1. Photosenseur comportant une barrette de photodiodes couplées à un registre à décalage, chaque photodiode engendrant des charges électriques et le stockage de ces charges s'effet tuant essentiellement sur une jonction N/P de la photodiode, caractérisé en ce qu'il comporte une grille de stockage (Gst) adjacente à la photodiode. une grille de transfert (Gp) adjacente d'une part à la grille de stockage et d'autre part au registre à décalage, une région de drain (50) séparée de la photodiode, une grille de commande (Gae) adjacente d'un côté à la grille de stockage et d'un autre côté à la région de drain, et un moyen pour appliquer à la grille de stockage un potentiel tel que le potentiel (VSO) imposé sous cette grille soit toujours inférieur ou égal au potentiel (VO) imposé sous la grille de transfert lors d'un transfert de charges de la photodiode vers le registre et inferieur ou égal au potentiel (VABO) imposé sous la grille de commande lors d'un transfert de charges de la photodiode vers la région de drain. 2. Photosenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de l'ensemble de la grille de stockage et de la jonction de la photodiode est largement supérieure à la capacité de la grille de transfert et a la capacité de la grille de commande.