Brevet FR2681980A1 — publié le 19930402

i DISPOSITIF IMAGEUR A SEMICONDUCTEURS COMPORTANT UN RESEAU DE PHOTODIODES La présente invention concerne des dispositifs imageurs à semi- conducteurs, et elle concerne plus particulièrement un dispositif imageur à semiconducteurs dont les caractéristiques sont affectées par la résis- tance du substrat, qui est capable d'uniformiser des points de fonction- nement de pixels au voisinage d'une polarisation égale à zéro. La figure 5 est une vue en perspective montrant un dispositif ima- geur infrarouge de l'art antérieur Sur la figure 5, la référence 1 dési- gne un réseau de photodiodes bidimensionnel, par un exemple un réseau de 128 x 128 pixels, qui effectue une conversion de lumière en électricité pour générer des charges de signal Le réseau de photodiodes 1 est monté sur un dispositif à couplage de charges (ou CCD) au silicium, 2, et il est connecté électriquement à celui-ci, pour le transfert de charges de signal, par l'intermédiaire de plots en indium 3 Le réseau de photodiodes 1 re- çoit de la lumière infrarouge 4. La figure 6 est une coupe du dispositif imageur infrarouge qui est représenté sur la figure 5 Sur la figure 6, des références numériques identiques à celles de la figure 5 désignent des éléments identiques ou correspondants Une couche en Hg Cd Te de type p, 12, est formée sur un substrat en Cd Te, 11 Un ensemble de régions d'impuretés de type n, 13, sont formées à la surface de la couche en Hg Cd Te de type p, 12 Chaque région d'impuretés de type n, 13, constitue une région de pixel du réseau de photodiodes bidimensionnel 1 Une électrode du côté p, 5, qui est com- mune à tous les pixels du réseau de photodiodes, est formée sur la couche en Hg Cd Te de type p, 12, aux endroits auxquels les régions d'impuretés de type n, 13, ne sont pas présentes Une pellicule isolante 101 recouvre la couche en Hg Cd Te, 12, et l'électrode du côté p 5, et des ouvertures cor- respondant aux régions d'impuretés de type n, 13, sont formées à travers la pellicule isolante 101 Des électrodes du côté n, 6, pour les pixels, sont formées dans les ouvertures Des régions de type n, 22, sont formées sur la surface du substrat en silicium de type p, 21, du dispositif à cou- plage de charges en silicium, 2, et face aux régions de pixels 13 du ré- seau de photodiodes 1 Les régions de type n, 22, sont utilisées à titre d'étage d'entrée du signal du dispositif à couplage de charges 2 Une pel- licule isolante 102 ayant des ouvertures qui correspondent aux régions de type n, 22, recouvre le substrat en silicium 21, et des électrodes 7 sont formées dans les ouvertures L'électrode du côté n, 6, de chaque pixel du réseau de photodiodes 1 est connectée à l'électrode en regard 7 dans l'étage d'entrée du dispositif à couplage de charges 2, par l'intermédiai- re du plot en indium 3 L'électrode du côté p, 5, est connectée à la ré- gion de type p du dispositif à couplage de charges 2, par l'intermédiai- re du plot en indium 3, et une tension de substrat (masse) du dispositif à couplage de charges 2 est appliquée à l'électrode du côté p, 5, par l'intermédiaire du plot de connexion 103 et de l'interconnexion en alumi- nium 104. La figure 7 est un schéma qui représente un réseau de photodiodes bidimensionnel On utilise un réseau de pixels de 3 x 3 pour simplifier la description Sur la figure 7, l'électrode du côté p, 5, est commune à tous les pixels, et une électrode du côté n, 6, est formée en correspondance avec chaque pixel du réseau de photodiodes 1. La figure 8 est un schéma montrant la structure du dispositif à couplage de charges 2, depuis l'étage d'entrée jusqu'au canal du disposi- tif à couplage de charges, et montrant également des potentiels dans des régions respectives Ce dispositif à couplage de charges est un dispositif du type à stockage de charges, comportant une région de stockage de charges dans l'étage d'entrée L'électrode du côté N de la photodiode 1 est connectée à la région de type N 22 du dispositif à couplage de char- ges Une région d'étage d'entrée 25 est constituée par la région de type n, 22, et une région de porte d'entrée 26 est adjacente à la région d'éta- ge d'entrée 25 Une région de stockage de charges 27 est adjacente à la région de porte d'entrée 26 Une région de porte de transfert 28 est ad- jacente à la région de stockage de charges 27 Une région de canal de dispositif à couplage de charges 29 est adjacente à la région de porte de transfert 28 Une électrode de porte d'entrée 17 est disposée sur la région de porte d'entrée 26 La hauteur du potentiel de la région de porte d'entrée 26 dépend d'une tension continue VG qui est ap- pliquée à l'électrode de porte d'entrée 17, grâce à quoi on peut com- mander la quantité de charges qui sont transférées de la région d'étage d'entrée 25 vers la région de stockage 27 Une électrode 18 forme la région de stockage 27 et une tension déterminée VT est appliquée à l'électrode 18 Une électrode de porte de transfert 19 est disposée sur la région de porte de transfert 28 On fait varier le potentiel de la ré- gion de porte de transfert 28 en appliquant un signal OT à l'électrode de porte de transfert 19, à des instants déterminés, grâce à quoi les charges qui sont stockées dans la région de stockage 27 sont transférées vers la région de canal de dispositif à couplage de charges 29 Une élec- trode de transfert 20 est formée sur la région de canal de dispositif à couplage de charges 29, et un signal OCCD est appliqué à l'électrode de transfert 20 à des instants déterminés, grâce à quoi les charges présen- tes dans la région de canal de dispositif à couplage de charges 29 sont transférées successivement par les canaux de dispositif à couplage de charges. La figure 9 est un schéma de circuit électrique du réseau de pho- todiodes 1 qui est représenté sur la figure 5 Sur la figure 9, la réfé- rence 9 désigne un pixel qui se trouve au centre du réseau de photodio- des 1, et la référence 8 désigne des pixels qui entourent le pixel 9 La référence 10 désigne des résistances de substrat (r, R) entre ces pixels. La figure 10 montre des caractéristiques I-V des pixels. On va maintenant décrire le fonctionnement L'électrode du côté p, 5, qui est commune à tous les pixels, est formée autour des pixels et elle est connectée électriquement à la tension de substrat (masse) du dispositif à couplage de charges en silicium 2, tandis que les électrodes du côté n, 6, sont connectées électriquement au dispositif à couplage de charges en silicium 2 par l'intermédiaire des plots en In, 3 La lumière infrarouge 4 qui tombe sur le réseau de photodiodes 1 est convertie en charges de signal et les charges de signal sont transférées vers le dis- positif à couplage de charges en silicium 2 par l'intermédiaire des plots en indium 3 Ensuite, les charges de signal sont émises sous la forme de signaux en séquence temporelle, ce qui donne des signaux d'image. En appliquant une tension continue de valeur basse, VG, à l'élec- trode de porte d'entrée 17 du dispositif à couplage de charges en silicium comme représenté sur la figure 8, on peut commander la quantité de charges qui sont transférées par l'intermédiaire des plots en indium En outre, une tension de polarisation inverse Vbb est appliquée à chaque pixel du réseau de photodiodes 1, conformément à la tension continue VG. La figure 1 montre un schéma de circuit électrique qui est destiné à expliquer la tension qui est appliquée aux pixels du réseau de photodio- des 1 Sur la figure 9, la distance de l'électrode commune du côté p, , jusqu'aux pixels périphériques 8, est différente de la distance de cette électrode jusqu'au pixel central 9, ce qui fait que des différences apparaissent dans les résistances de substrat 10, faisant ainsi apparaître des différences dans les tensions de polarisation inverses Vbb qui sont appliquées aux pixels Plus concrètement, lorsqu'on désigne respective- ment par Va et Vb les tensions de polarisation inverses qui sont ap- pliquées au pixel périphérique 8 et au pixel central 9, et lorsqu'on dé- signe respectivement par ia et ib les courants photoélectriques qui cir- culent dans le pixel périphérique 8 et dans le pixel central 9, on obtient les relations suivantes: Va Vbb r (ia +ib) b Vbb R* ib r (ia + ib) = Va b Rib Comme on le voit d'après les relations ci-dessus, la tension de polarisa- tion inverse Vb qui est appliquée au pixel central 9 est inférieure à la tension de polarisation inverse Va qui est appliquée au pixel périphé- rique 8 Lorsqu'on applique ceci à la figure 10, on constate que le point de polarisation de fonctionnement du pixel périphérique 8 est différent de celui du pixel central 9, ce qui fait apparaître une différence dans le courant photoélectrique de sortie entre le pixel périphérique 8 et le pixel central 9 De façon plus concrète, le courant photoélectrique qui est émis par le pixel central 9 est inférieur à celui qui est émis par le pixel périphérique 8. Dans le dispositif imageur infrarouge de l'art antérieur qui pré- sente la structure décrite ci-dessus, il existe un défaut d'uniformité dans le courant photoélectrique qui est émis par les pixels périphéri- ques et par le pixel central On peut résoudre ce problème en formant l'électrode du côté p de façon qu'elle soit très proche de chaque pixel, mais ceci est techniquement difficile De plus, du fait que le point de fonctionnement du dispositif est son point de polarisation inverse, le dispositif est aisément affecté par un courant de fuite. La présente invention vise à résoudre les problèmes décrits ci- dessus, et elle a pour buts d'uniformiser le courant photoélectrique et de réduire le courant de fuite, en uniformisant la tension de polarisa- tion inverse qui est appliquée à chaque pixel d'un réseau de photodiodes, au voisinage d'une polarisation égale à zéro. Selon un aspect de la présente invention, un dispositif imageur à semiconducteurs comprend un réseau de photodiodes dans lequel une élec- trode ou l'autre d'une jonction pn est commune à un ensemble de pixels, une structure de transfert de signal qui transfère des charges qui sont générées dans chaque région de pixel, et qui est connectée à l'autre électrode du réseau de photodiodes, et des moyens d'application de ten- sion qui sont destinés à appliquer à l'électrode commune de la photo- diode une tension orientée dans un sens direct par rapport à la jonction pn de la photodiode Par conséquent, la tension de polarisation inverse qui est appliquée à la photodiode, sous l'effet de la tension qui est ap- pliquée à l'électrode de commande de l'étage d'entrée de la structure de transfert de signal, peut être annulée par la tension directe qui est appliquée à l'électrode commune, ce qui fait que les points de fonction- nement des pixels peuvent être uniformisés au voisinage d'une polarisa- tion égale à zéro. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réali- sation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La suite de la descrip- tion se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma montrant un réseau de photodiodes bi- dimensionnel d'un dispositif imageur à semiconducteurs conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une coupe montrant la structure d'un dispositif imageur à semiconducteurs conforme au premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est un schéma de circuit électrique destiné à l'expli- cation de la tension qui est appliquée à chaque pixel du réseau de pho- todiodes qui est représenté sur la figure 1; la figure 4 est un diagramme montrant une caractéristique I-V de chaque pixel du réseau de photodiodes du dispositif imageur à semicon- ducteurs conforme au premier mode de réalisation de la présente invention la figure 5 est une vue en perspective montrant un dispositif imageur infrarouge conforme à l'art antérieur; la figure 6 est une coupe du dispositif imageur infrarouge à l'art antérieur; la figure 7 est un schéma montrant un réseau de photodiodes bi- dimensionnel du dispositif imageur infrarouge conforme à l'art antérieur la figure 8 est un schéma montrant la structure d'un dispositif à couplage de charges de l'art antérieur, de l'étage d'entrée jusqu'au ca- nal de dispositif à couplage de charges, et montrant également des po- tentiels dans les régions respectives; la figure 9 est un schéma de circuit électrique qui est destiné à l'explication de la tension appliquée à chaque pixel du réseau de photo- diodes qui est représenté sur la figure 7; la figure 10 est un diagramme montrant une caractéristique I-V de chaque pixel du réseau de photodiodes du dispositif imageur infra- rouge conforme à l'art antérieur; et la figure 11 est une coupe montrant un dispositif imageur à semi- conducteurs conforme à un second mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 est un schéma montrant un réseau de photodiodes bi- dimensionnel d'un dispositif imageur à semiconducteurs conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention Sur la figure 1, des références numériques identiques à celles de la figure 7 désignent les éléments identiques ou correspondants Une électrode du côté p, 5, est commune à tous les pixels, et une électrode du côté n, 6, est for- mée pour chaque pixel du réseau de photodiodes bidimensionnel 1 Dans ce mode de réalisation, une source d'énergie électrique continue 111 est connectée entre l'électrode commune du côté p, 5, et la tension de masse, et une tension déterminée V est appliquée à l'électrode du côté p, 5, du réseau de photodiodes. La figure 2 est une coupe montrant un exemple d'une structure concrète du dispositif imageur à semiconducteurs conforme au premier mode de réalisation de la présente invention Sur la figure 2, des réfé- rences numériques identiques à celles de la figure 6 désignent des élé- ments identiques ou correspondants Une couche en Hg Cd Te de type p, 12, est formée sur un substrat en Cd Te, 11 Un ensemble de régions d'impuretés de type n, 13, sont formées sur la surface de la couche en Hg Cd Te de type p, 12 Chaque région d'impuretés de type n, 13, consti- tue une région de pixel du réseau de photodiodes bidimensionnel 1 Une électrode du côté p, 5, qui est commune à tous les pixels du réseau de photodiodes, est formée sur la couche en Hg Cd Te de type p, 12, aux endroits auxquels les régions d'impuretés de type n, 13, ne sont pas présentes Une pellicule isolante 101 recouvre la couche en Hg Cd Te 12 et l'électrode du côté p, 5, et des ouvertures correspondant aux régions d'impuretés de type n, 13, sont formées à travers la pellicule isolante 1001 Des électrodes du côté n, 6, pour les pixels sont formées dans les ouvertures Des régions de type n, 22, sont formées sur la surface du substrat en silicium de type p, 21, du dispositif à couplage de charges en silicium, 2, et face aux régions de pixels 13 du réseau de photodio- des 1 Les régions de type n, 22, remplissent la fonction d'étages d'en- trée du dispositif à couplage de charges, 2 Une pellicule isolante 102 ayant des ouvertures qui correspondent aux régions de type n, 22, re- couvre le substrat en silicium 21, et des électrodes 7 sont formées dans les ouvertures L'électrode du côté n, 6, de chaque pixel du réseau de photodiodes 1, est connectée à l'électrode 7 en regard dans l'étage d'entrée du dispositif à couplage de charges 2, par l'intermédiaire du plot en indium 3. Dans le premier mode de réalisation de la présente invention, contrairement au dispositif de l'art antérieur, l'électrode du côté p, 5, n'est pas connectée au substrat de type p, 21, du dispositif à couplage de charges 2, mais est connectée à une interconnexion en aluminium 106 sur la pellicule isolante 102, par l'intermédiaire du plot en indium 3, de façon qu'une tension déterminée V soit appliquée à l'interconnexion en aluminium 106 à partir de la source d'énergie électrique continue 111, par l'intermédiaire du plot de connexion 105 De plus, la tension de substrat (masse) du dispositif à couplage de charges 2 est appliquée au substrat de type p, 21, du dispositif à couplage de charges, par l'in- termédiaire du plot de connexion 103 et de l'interconnexion en alumi- nium 104. La figure 3 est un schéma de circuit électrique qui est destiné à l'explication de la tension appliquée à chaque pixel du réseau de pho- todiodes qui est représenté sur la figure 1 Sur la figure 3, la réfé- rence 9 désigne un pixel se trouvant au centre du réseau de photodio- des 1, et la référence 8 désigne des pixels qui entourent le pixel cen- tral 9 La référence 10 désigne des résistances de substrat (r, R) entre ces pixels La figure 4 montre une caractéristique I-V de chaque pixel du réseau de photodiodes. On décrira le fonctionnement du dispositif imageur infrarouge conforme au premier mode de réalisation de la présente invention en se référant aux figures 1 à 4. Comme dans le dispositif de l'art antérieur, la lumière infrarouge 4 qui tombe sur le réseau de photodiodes 1 est convertie en charges de signal, et les charges de signal sont transférées vers le dispositif à couplage de charges en silicium 2 par l'intermédiaire des plots en indium 3 Ensuite, les charges de signal sont émises sous la forme de signaux en séquence temporelle, ce qui donne des signaux d'image Lorsque la tension Vp qui est appliquée à l'électrode commune du côté p, 5, est égale à O V, c'est-à-dire lorsqu'elle est égale à la tension de substrat du dispositif à couplage de charges, ce dispositif équivaut au dispositif de l'art antérieur, et la tension de polarisation inverse Vbb est appliquée à chaque pixel La tension de polarisation inverse qui est ainsi appliquée dépend de la tension continue qui est appliquée à la porte d'entrée du dispositif à couplage de charges Cette tension est habituellement d'en- viron 100 m V Dans ce mode de réalisation de la présente invention, on fait varier la tension de polarisation inverse qui est appliquée à cha- que pixel, en appliquant la tension Vp à l'électrode du côté p du ré- seau de photodiodes 1, à partir de la source d'énergie électrique conti- nue 111. De façon plus concrète, lorsqu'on désigne respectivement par Va et Vb les tensions de polarisation inverses qui sont appliquées au pixel périphérique 8 et au pixel central 9, et lorsqu'on désigne respective- ment par ia et ib les courants photoélectriques qui circulent dans le pixel périphérique 8 et le pixel central 9, on obtient les relations suivantes: Va = Vbb r(ia + ib) -Vp b =Vbb -R ib r(ia + ib) Vp = Va R ib Du fait que ib diminue lorsque Vp augmente, Va et Vb deviennent plus proches de zéro lorsque la différence entre elles se réduit Lorsque la tension Vp est égale à Vbb, c'est-à-dire lorsque la tension de polarisa- tion inverse effective qui est appliquée à partir de l'extérieur devient égale à zéro, les tension Va et Vb ont les valeurs les plus proches de zéro, et on obtient les relations suivantes Va = r(ia + ib) Vb R ib r(ia +ib) Va b Rib ia et ib prenant les valeurs minimales. Comme le montre la figure 4, lorsque les tensions Va et Vb de- viennent plus proches de zéro, la différence entre le courant photoélec- trique ia qui est émis par le pixel périphérique 8 et le courant photo- électrique ib qui est émis par le pixel central 9 est réduite, grâce à quoi la variation de la puissance de sortie est réduite. Dans le mode de réalisation de la présente invention qui est dé- crit ci-dessus, la tension continue, qui est approximativement égale à la tension de polarisation inverse Vbb appliquée aux pixels du réseau de photodiodes 1, est appliquée à l'électrode commune du côté p, 5 Par conséquent, les points de fonctionnement des pixels peuvent être unifor- misés au voisinage de la polarisation zéro, de façon à réduire des va- riations dans les courants photoélectriques qui sont émis par les pixels, et à réduire les influences dues au courant de fuite. Bien que le mode de réalisation ci-dessus utilise la source d'éner- gie électrique continuelll qui fournit une tension fixe, lorsqu'on uti- lise une source de tension électrique continue 112 qui fournit une ten- sion variable, comme représenté sur la figure 11, on peut utiliser la photodiode 1 avec une tension de polarisation désirée Le dispositif peut donc fonctionner en permanence avec la caractéristique optimale. Bien que dans le mode de réalisation qui est décrit ci-dessus, on utilise la source d'énergie électrique continue 111 pour régler la ten- sion qui est appliquée à l'électrode commune du côté p, 5, il est pos- sible d'utiliser d'autres moyens, à condition qu'ils remplissent la fonc- tion désirée. De plus, bien que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on ait considéré un dispositif imageur infrarouge, il est possible d'appliquer la présente invention, avec des effets identiques à ceux décrits ci- dessus, à n'importe quels dispositifs imageurs à semiconducteurs dont les caractéristiques sont affectées par la résistance du substrat. Comme il ressort de façon évidente de la description précédente, conformément à la présente invention, un dispositif imageur à semicon- ducteurs comprend un réseau de photodiodes dans lequel une électrode ou l'autre d'une jonction pn est commune à un ensemble de pixels, une structure de transfert de signal transférant des charges qui sont géné- rées dans chaque région de pixels, et connectée à l'autre électrode du réseau de photodiodes, et des moyens d'application de tension qui sont destinés à appliquer à l'électrode commune de la photodiode une tension de sens direct par rapport à la jonction pn de la photodiode Par con- séquent, la tension de polarisation inverse qui est appliquée à la photo- diode sous l'effet de la tension appliquée à la porte de l'étage d'entrée de la structure de transfert de signal, peut être annulée par la tension directe qui est appliquée à l'électrode commune, ce qui fait que les points de fonctionnement des pixels peuvent être uniformisés au voisi- nage de la polarisation zéro Il en résulte qu'il est possible de rédui- re des variations du courant photoélectrique émis par les pixels du ré- seau de photodiodes, et de réduire des influences qui sont dues au cou- rant de fuite. il REVENDICATIONS 1 Dispositif imageur à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend: un réseau de photodiodes ( 1) comportant un ensemble de pixels constitués par des régions d'un second type de conductivité ( 13) qui sont formées dans une couche de semiconducteur d'un premier type de conductivité ( 12), et une électrode ( 5) qui est commune aux pixels et qui est formée sur la couche de semiconducteur du premier type de con- ductivité ( 12); une structure de transfert de signal ( 2) transférant des charges de signal qui sont générées dans les pixels, connectée aux régions du second type de conductivité ( 13); et des moyens d'applica- tion de tension continue ( 111, 112) qui sont destinés à appliquer à la couche de semiconducteur du premier type de conductivité ( 12) une ten- sion de sens direct par rapport à une jonction qui est formée entre la couche de semiconducteur du premier type de conductivité ( 12) et les régions du second type de conductivité ( 13). 2 Dispositif imageur à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de photodiodes ( 1) et la structure de transfert de signal ( 2) sont formés sur des substrats différents ( 11, 21), et des électrodes ( 6) situées du côté de conductivité opposée, par rap- port à l'électrode commune ( 5), sont connectées à un étage d'entrée de signal ( 25) de la structure de transfert de signal ( 2) par l'intermé- diaire de plots ( 3). 3 Dispositif imageur à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'application de tension continue con- sistent en une source d'énergie électrique continue ( 111, 112) qui est connectée entre l'électrode commune ( 5) et une tension de substrat de la structure de transfert de signal ( 2). 4 Dispositif imageur à semiconducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une tension de polarisation inverse qui est ap- pliquée au réseau de photodiodes ( 1) sous l'effet d'une tension appliquée à une porte dans l'étage d'entrée de signal ( 25) de la structure de transfert de signal ( 2) est annulée par la tension qui provient de la source d'énergie électrique continue ( 111, 112). Dispositif imageur à semiconducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source d'énergie électrique continue ( 112) fournit une tension variable. 6 Dispositif imageur à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de semiconducteur du premier type de conductivité ( 12) consiste en tellurure de mercure-cadmium, et la struc- ture de transfert de signal ( 2) consiste en silicium.