Brevet FR2704978A1 — publié le 19941110

DISPOSITIF A TRANSFERT DE CHARGES A GRILLE D'ENTRAINEMENT La présente invention concerne un dispositif à transfert de charges. L'invention sera plus particulièrement décrite pour la réalisation de photodiodes de grandes dimensions couplées à des registres de lecture de charges mais elle concerne plus généralement tout type de dispositif à transfert de charge. Les photodiodes de grandes dimensions sont destinées à foumir des signaux à faible éclairement. Selon l'art antérieur, les charges créées dans les photodiodes de grandes dimensions ne peuvent être complètement entraînées vers le registre de lecture que si un fond de charges, dit charge d'entraînement, est injecté dans la diode. Cette charge d'entraînement est alors transférée et lue en même temps que le signal utile créé par la photodiode. Un tel système présente de nombreux inconvénients. Outre le fait qu'il nécessite un dispositif d'injection de charges, il diminue la dynamique de sortie en augmentant le niveau de bruit. L'invention ne présente pas ces inconvénients. La présente invention a pour objet une photodiode constituée d'une zone photosensible permettant de générer des charges sous l'effet de la lumière et d'une grille de stockage destinée à stocker les charges ainsi générées, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour drainer les charges vers la grille de stockage. Ces moyens sont réalisés principalement par des grilles étroites de largeurs variables, électriquement reliées à la grille de stockage, et dont l'élargissement est progressif au fur et à mesure que l'on se rapproche de la grille de stockage. Sous l'effet d'une tension continue appliquée aux grilles, un puits de potentiel de profondeur croissante apparaît sous chaque grille permettant de collecter et de drainer vers la grille de stockage les électrons créés dans la zone photosensible. Un avantage de l'invention consiste donc à améliorer les performances électriques des diodes photoélectriques de grandes dimensions. De façon plus générale, I'invention concerne également un dispositif à transfert de charges comprenant un substrat semi-conducteur et des moyens pour drainer des charges d'une première zone semi-conductrice vers une deuxième zone semi-conductrice du substrat, ces moyens comportant au moins une grille conductrice isolée reliant les deux zones semi-conductrices et portée à un potentiel suffisant pour créer un puits de potentiel dans le substrat semiconducteur, caractérisé en ce que la grille isolée a une largeur progressivement croissante de la première zone vers la deuxième zone, cette largeur étant suffisamment étroite pour que le puits de potentiel ait une profondeur croissant progressivement de la première zone vers la deuxième zone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation faits avec référence aux figures ciannexées dans lesquelles: - La figure 1 représente le puits de potentiel existant sous une grille isolée selon deux valeurs différentes de la tension appliquée à la grille. - La figure 2 représente les puits de potentiel existant sous trois grilles isolées étroites de largeurs différentes, selon une même valeur de la tension appliquée à la grille. - la figure 3 représente une photodiode selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 représente une vue en coupe détaillée de la figure 3. - la figure 5 représente une photodiode selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. - la figure 6 représente une vue en coupe détaillée de la figure 5. Sur toutes les figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. La figure 1 représente le puits de potentiel existant sous une grille isolée de largeur Il, selon deux valeurs différentes (V1, V2) de la tension appliquée à la grille. Une première courbe C1 correspond à une tension V1 et une deuxième courbe C2 correspond à une tension V2 supérieure à V1. Comme cela est connu de l'homme de l'art, le puits de potentiel P est d'autant plus profond que la tension appliquée est élevée. Ces puits de potentiel sont uniformes sous toute la largeur de la grille sauf dans les zones de transition Z1, Z2 situées sur les bords de la grille puisque le puits de potentiel n'atteint pas immédiatement sa valeur. La figure 2 représente les puits de potentiel existant sous trois grilles étroites de largeurs différentes (12, 13, 14), selon une même valeur (V) de la tension appliquée à la grille. Les largeurs 12, 13, 14 des grilles sont de l'ordre de grandeur des zones de transition Z1, Z2 mentionnées précédemment. La largeur 14 étant supérieure à la largeur 13, elle-même supérieure à la largeur 12, le puits de potentiel créé par la grille de largeur 14 est plus profond que le puits de potentiel créé par la grille de largeur 13, ce dernier étant plus profond que le puits de potentiel créé par la grille de largeur 12. Ainsi les puits de potentiel présentent-ils, pour une même valeur de tension appliquée aux grilles, des profondeurs de plus en plus grandes au fur et à mesure que la grille s'élargit. II est alors possible d'obtenir une différence de potentiel de quelques volts le long d'une grille de largeur étroite s'élargissant continûment et sur laquelle est appliquée une tension V. La figure 3 représente la vue de dessus d'une photodiode selon un premier mode de réalisation de l'invention. Cette photodiode est constituée d'une zone photosensible 1 et d'une grille de stockage latérale non photosensible 2. La zone photosensible 1 est du type à faible rémanence et sera plus particulièrement décrite en figure 4. Selon l'invention la grille de stockage 2 est électriquement reliée à des grilles 3 permettant de collecter et de drainer vers la grille de stockage les électrons générés dans la zone photosensible, loin de la grille de stockage 2. Chaque grille de drainage 3 s'élargit, de préférence continûment, de l'extrémité opposée à la grille de stockage à la zone où s'effectue le contact avec la grille de stockage. Cet élargissement est calculé de façon que se crée en dessous de la grille 3, et sous l'action de la tension extérieure V appliquée à la grille, un puits de potentiel dont la profondeur s'accroît et varie de quelques volts, par exemple 2 à 3 Volts, entre l'extrémité de la grille 3 éloignée de la grille de stockage et l'extrémité de la grille 3 qui est au contact de la grille de stockage. Les électrons qui ne sont pas générés à proximité de la grille de stockage 2 sont alors entraînés vers cette dernière par l'intermédiaire de la grille 3 la plus proche. Selon un mode de réalisation de l'invention, la largeur I de la grille 3 est de l'ordre de 2 microns à l'extrémité opposée à la grille de stockage 2 et de l'ordre de 3,5 microns là où s'effectue le contact avec ladite grille de stockage. Cependant d'autres valeurs sont possibles. Les valeurs choisies doivent alors être compatibles de l'approfondissement désiré du puits de potentiel. Sur la figure 3 sont représentées deux grilles de drainage d'électrons. L'invention concerne cependant des photodiodes comportant un nombre différent de grilles de drainage 3. De façon générale, le nombre de grilles de drainage est relié à la surface totale de la zone photosensible 1 et à la quantité de lumière que l'on désire détecter. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention les deux grilles de drainage sont distantes d'environ 40 microns ce qui correspond à un drainage des électrons sur environ 20 microns. La photodiode comprend sur la périphérie qui ne jouxte pas la grille de stockage 2 une zone 4 d'isolation. Cette zone sert à isoler les zones photosensibles lorsque plusieurs photodiodes sont mises côte à côte. La zone 4 est réalisée, par exemple, par implantation directe de bore dans le substrat P, sans la présence de la couche dopée N que l'on trouve dans le reste de la zone photosensible. La figure 4 représente une vue en coupe détaillée de la figure 3. Cette vue en coupe permet de représenter en épaisseur la diode photoélectrique selon l'invention, suivant l'axe AA' de la figure 3. La photodiode selon l'invention est du type à faible rémanence. Comme cela est connu de l'homme de l'art la zone photosensible est constituée d'une fine couche fortement dopée P, déposée sur une couche dopée N, laquelle recouvre un substrat dopé P. Ainsi, en dehors de la partie recouverte par les grilles de drainage 3, la photodiode de l'invention est-elle constituée d'une fine couche 5 fortement dopée P (P+) déposée sur une couche 6 dopée N laquelle recouvre un substrat 7 dopé P. Selon l'invention, la zone recouverte par une grille de drainage 3 est dépourvue de couche 5 fortement dopée P afin de permettre la création du puits de potentiel qui permet le drainage des électrons. Chaque grille de drainage 3 est constituée préférentiellement d'une couche de silicium poly-cristallin 8 déposée sur une couche d'isolant 9. Selon le mode de réalisation préférentiel, chaque grille de drainage 3 est photosensible. Comme cela a été mentionné précédemment, la photodiode comprend sur la périphérie qui ne jouxte pas la grille de stockage 2 une zone d'isolation 4 dépourvue de couche N. Selon le mode de réalisation décrit, les grilles de drainage 3 sont perpendiculaires à la grille de stockage 2. L'invention conceme aussi d'autres configurations qui peuvent s'avérer plus aptes à drainer les électrons vers la grille de stockage. La figure 5 représente une photodiode selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Selon ce mode de réalisation la géométrie de la zone photosensible 1 est découpée de façon à favoriser le parcours des électrons vers les grilles de drainage 3. A cet effet, la zone photosensible est dépourvue de couche dopée N dans toute une partie de son volume. Cette zone dépourvue de couche N est hachurée et référencée 10 sur la figure 3. La couche dopée N se présente sous la forme d'un ensemble de canaux 11 d'axes perpendiculaires à l'axe des grilles de drainage 3 et séparés par des barrières 12 non dopées N. Chaque canal s'élargit continûment vers une grille de drainage 3. Cet élargissement est calculé préférentiellement de façon que la tension de seuil de la diode que représente la jonction P+/N creuse un léger puits de potentiel dont l'accentuation permet d'entraîner les électrons présents dans les canaux Il vers les grilles de drainage 3. Les électrons engendrés dans les barrières 12 tendent à glisser vers les canaux il et participent ainsi au flux d'électrons drainés par les canaux 11. L'ensemble des canaux 11 constitue donc un moyen supplémentaire permettant de faciliter l'accès des électrons aux grilles de drainage 3. Selon le mode de réalisation préférentiel, une même grille de drainage est entourée de deux sous-ensembles de canaux 11 comme représenté en figure 5. La photodiode représentée en figure 5 comprend deux grilles de drainage 3. Comme cela a été mentionné précédemment, I'invention concerne aussi des photodiodes comportant un nombre différent de grilles de drainage. Dans les dispositifs qui utilisent ces photodiodes, tels que les dispositifs à transfert de charge, plusieurs photodiodes sont placées côte à côte. II est alors nécessaire d'isoler les zones photosensibles les unes des autres. Le pourtour 4 de la zone 10 dépourvue de couche N y pourvoit comme cela a été décrit précédemment. La figure 6 représente une vue en coupe détaillée de la figure 5. La coupe est effectuée suivant l'axe BB' de la figure 5. Selon cet axe, la zone photosensible 1 est constituée d'une alternance régulière de canaux 11 et de barrières 12. Chaque canal 11 est constitué de l'empilement d'une fine couche 5 fortement dopée P, déposée sur une couche 6 dopée N, laquelle recouvre un substrat 7 dopé P. Chaque barrière 12, dépourvue de couche N est constitué de la couche 5 et du substrat 7. Les électrons e générés en zone P sont symboliquement représentés comme se déversant dans la zone N la plus proche. L'invention vient d'être décrite pour la réalisation d'une photodiode. Elle concerne cependant, comme cela a été mentionné plus haut, tout type de dispositif permettant de transférer des charges d'une première zone semiconductrice vers une deuxième zone semiconductrice. De tels dispositifs à transfert de charges comprennent alors au moins une grille conductrice isolée s'étendant entre les deux zones semiconductrices. Chaque grille a une largeur progressivement croissante de la première zone vers la deuxième zone. La largeur de chaque grille est alors suffisamment étroite pour que le puits de potentiel créé par l'application d'une tension V à la grille ait une profondeur progressivement croissante de la première zone vers la deuxième zone, permettant ainsi l'entraînement des charges. REVENDICATIONS 1. Dispositif à transfert de charges comprenant un substrat semiconducteur et des moyens pour drainer des charges d'une première zone semiconductrice (1) vers une deuxième zone semiconductrice (2) du substrat, ces moyens (3) comportant au moins une grille conductrice isolée reliant les deux zones semiconductrices et portée à un potentiel (V) suffisant pour créer dans le substrat semiconducteur un puits de potentiel, caractérisé en ce que la grille isolée a une largeur progressivement croissante de la première zone vers la deuxième zone, ladite largeur étant suffisamment étroite pour que le puits de potentiel ait une profondeur progressivement croissante de la première zone (1) vers la deuxième zone (2). 2. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que la première zone est une zone photosensible (1) de type P+/N/P permettant de générer des charges sous l'effet de la lumière et la deuxième zone une grille de stockage (2) polarisée par une tension (V) de façon à recueillir les charges créées dans ladite zone photosensible (1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille conductrice isolée de largeur progressivement croissante est ellemême photosensible et en ce qu'elle est électriquement reliée à la grille de stockage (2). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la grille conductrice isolée de largeur progressivement croissante est constituée d'une couche de silicium poly-cristallin (8) déposée sur une couche isolante (9) et en ce que la zone photosensible située sous ladite grille est dépourvue de couche P+. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend sur la périphérie de la première zone semiconductrice une zone isolante (4). 6. Photodiode constituée d'une zone photosensible (1) de type P+/N/P permettant de générer des charges sous l'effet de la lumière et d'une grille de stockage latérale (2) polarisée par une tension (V) de façon à recueillir les charges créées dans ladite zone photosensible (1), caractérisée en ce que la zone photosensible (1) comprend des moyens (3) pour drainer les charges vers la grille de stockage latérale (2). 7. Photodiode selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens (3) sont constitués d'au moins une grille de drainage (3) électriquement reliée à la grille de stockage (2), chaque grille de drainage (3) ayant une largeur progressivement croissante au fur et à mesure qu'elle se rapproche de la grille de stockage (2), ladite largeur étant suffisamment étroite pour que se crée, sous ladite grille (3), un puits de potentiel dont la profondeur croit en se rapprochant de la grille de stockage (2). 8. Photodiode selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque grille de drainage (3) est constituée d'une couche de silicium polycristallin (8) déposée sur une couche d'isolant (9) et en ce que la zone photosensible située sous ladite grille de drainage est dépourvue de couche P+. 9. Photodiode selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la couche dopée N de la zone photosensible (1) se présente sous la forme d'un ensemble de canaux (11) perpendiculaires aux grilles de drainage (3) et s'élargissant progressivement au fur et à mesure qu'ils se rapprochent d'une grille de drainage. 10. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend sur la périphérie qui ne jouxte pas la grille de stockage (2) une zone isolante (4).