Brevet FR2971888A1 — publié le 20120824

B 11-0069FR 1 Dispositif et procédé de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite. L'invention concerne les dispositifs d'imagerie, et plus particulièrement un dispositif de mesure de l'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite. Un dispositif d'imagerie, ou capteur, est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique. Généralement, ce signal est ensuite amplifié puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Dans ce cas, le dispositif d'imagerie met à profit l'effet photoélectrique qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif au niveau d'une jonction semi- conductrice. Pour cela, un photosite comprend au moins une zone photosensible, notamment une photodiode, et une zone de lecture couplée à la photodiode via un transistor de transfert de charges. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un dispositif simple et de taille réduite de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite. Selon un aspect, il est proposé un procédé de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite comprenant un transistor de transfert et une photodiode comportant une zone de stockage de charge, le procédé comprenant une encapsulation de la grille du transistor de transfert du photosite dans une couche de matériau semi-conducteur dont au moins une partie comprend un matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné, une mise à la masse de la zone de stockage de charges du photosite, et une détermination de la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert. I1 a été observé que le matériau utilisé pour encapsuler le transistor de transfert est à l'origine d'une dérive temporelle du B 11-0069FR 2 courant. L'article « Kinetics of the Staebler-Wronski effect in hydrogentaed amorphous silicon » de M. Stutzmann et al. publié dans la revue Applied Physics Letter 45(10) du 15 novembre 1984, présente une quantification de la génération de défauts dans le matériau au cours du temps et selon la puissance lumineuse d'illumination. L'effet Staebler-Wronski serait à l'origine de la dérive de courant. En effet, l'exposition à la lumière du matériau encapsulant le transistor de transfert entraîne une génération de charges positives dans le dit matériau. La dérive du transistor consiste alors en une désertion de l'implantation de surface dopée P de la photodiode par effet de champ. Cette désertion entraîne une modification du dopage effectif de cette zone dopée P de la photodiode, et par conséquent une diminution de la résistance d'accès du transistor et donc une modification de la conduction. Cet effet perturbateur (dérive temporelle du courant) est gênant pour un imageur et doit être éliminé. Or les inventeurs ont observé qu'il était possible d'utiliser cet effet perturbateur en combinaison avec un couplage à la masse de la zone de stockage de charges pour permettre de déterminer l'énergie lumineuse reçue par le photosite. Le couplage à la masse de la zone de stockage de charges permet d'avoir une différence de potentiel entre la photodiode et la grille du transistor de transfert lorsque le potentiel de celle-ci est laissé flottant. La différence de potentiels entraîne l'apparition d'un champ électrique dans le matériau encapsulant. Lorsque des charges sont créées par illumination dans la couche de matériau d'encapsulation, le champ électrique induit une force empêchant la recombinaison des charges, les charges positives s'accumulant au dessus de la photodiode. Cela étant, de façon à obtenir un meilleur champ électrique, il est préférable de polariser la grille du transistor de transfert avec une tension de polarisation, par exemple de l'ordre du volt, la valeur de cette tension pouvant toutefois être différente en fonction de la dimension de la grille. B 11-0069FR 3 Plus l'illumination est importante en termes de puissance et de temps, plus le nombre de charges sera important, et plus la dérive temporelle de courant sera importante. Bien qu'il soit possible d'utiliser du germanium, le matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné comporte préférentiellement du silicium amorphe hydrogéné. Le silicium amorphe hydrogéné permet de maximiser le nombre de liaisons pendantes et donc de charges sous exposition lumineuse, par rapport aux autres matériaux semi-conducteur amorphe hydrogéné. Le silicium amorphe hydrogéné peut être obtenu par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), avec un précurseur silane (SiH4). Le dépôt chimique est réalisé à basse température afin que le silicium se dépose dans son état amorphe. Bien qu'il soit possible d'utiliser des proportions importantes d'hydrogène, on utilisera de préférence du silicium amorphe hydrogéné comprenant entre 1% et 10% d'hydrogène (pourcentage en atomes). En effet, une telle plage de pourcentages permet d'obtenir plus facilement une structure amorphe et donc une quantité substantielle de liaisons faibles (sources de charges générant la dérive du courant). L'effet de dérive temporelle du courant sera donc d'autant plus perceptible. L'hydrogène du silicium amorphe hydrogéné peut être remplacé par du deutérium. Le deutérium étant un isotope naturel de l'hydrogène, l'expression « silicium amorphe hydrogéné » englobe le cas où le deutérium est utilisé à la place de l'hydrogène. Le matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné peut aussi être dopé, par exemple, avec du carbone ou de l'azote pour obtenir des composés du type a-SiXNyHz ou a-SiXCyHz (« a » pour amorphe). La détermination de la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert comprend préférentiellement une mesure de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert et une comparaison de ladite intensité mesurée à une intensité de référence. B 11-0069FR 4 Le photosite comprend de préférence un noeud de lecture, et on mesure avantageusement l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert en utilisant le courant image mesuré au niveau du noeud de lecture. Avantageusement, le procédé peut comprendre une mémorisation de l'intensité initiale mesurée pour le photosite non exposé à la lumière, cette intensité mesurée formant l'intensité de référence. Le procédé peut également comprendre une réinitialisation de la mesure en appliquant un potentiel de réinitialisation à la grille du transistor de transfert inversant le sens du champ électrique entre la grille du transistor de transfert et la photodiode par rapport au champ électrique en fonctionnement nominal, et une mémorisation de l'intensité mesurée à l'issue de la réinitialisation, cette intensité mesurée formant l'intensité de référence. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un transistor de transfert et une photodiode comportant une zone de stockage de charges couplée à la masse, le transistor de transfert étant encapsulé au moins en partie par un matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné, et des moyens de traitement aptes à déterminer la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert. Le matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné comporte préférentiellement du silicium amorphe hydrogéné. De préférence, le photosite comprend un noeud de lecture, et les moyens de traitement comprennent des moyens de mesures couplés audit noeud de lecture et des moyens de comparaison aptes à comparer l'intensité du courant mesuré à une intensité de référence. Avantageusement, les moyens de comparaison peuvent comprendre une mémoire apte à mémoriser l'intensité de référence, l'intensité de référence correspondant à l'intensité du courant drain-source d'un transistor de transfert d'un photosite non exposé à la lumière. B 11-0069FR Le dispositif peut également comprendre des moyens de commande de réinitialisation aptes à appliquer un potentiel à la grille du transistor de transfert inversant le sens du champ électrique entre la grille du transistor de transfert et la photodiode par rapport au champ 5 électrique en fonctionnement nominal. Avantageusement, les moyens de traitement peuvent être couplés aux moyens de réinitialisation les moyens de réinitialisation étant aptes à commander, après une réinitialisation du photosite, une mesure du courant drain-source et une mémorisation dans la mémoire de l'intensité mesurée à l'issue de la réinitialisation comme intensité de référence. Le dispositif peut avantageusement comprendre une pluralité desdits photosites couplés en parallèle afin d'augmenter sa sensibilité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente de manière schématique un photosite d'un dispositif de mesure d'énergie reçue par ledit photosite selon un mode de réalisation ; - La figure 2 illustre de manière schématique un dispositif de mesure d'énergie lumineuse reçue par un photosite selon un mode de réalisation ; - La figure 3 représente un organigramme d'un procédé de mesure de l'énergie lumineuse reçue par un photosite. Sur la figure 1 est représenté de manière schématique un photosite P d'un dispositif de mesure d'énergie reçue par ledit photosite P selon un mode de réalisation. Le photosite P formé dans un substrat semi-conducteur 1 comprend une phototiode 2 comportant au moins une jonction PN, un transistor de transfert 3 et un noeud de lecture 4. Le transistor de transfert 3 est couplé d'une part à la photodiode 2 et d'autre part au noeud de lecture 4. Le transistor de transfert 3 est encapsulé dans une couche 5 de silicium amorphe hydrogéné. Cette couche 5 de silicium amorphe hydrogéné peut B 11-0069FR 6 recouvrir toute la surface du photosite P ou juste une partie de la grille du transistor de transfert 3. La photodiode 2 comprend une zone de stockage de charges 6 aptes à stocker les charges créées par effet photoélectrique dans la photodiode. Afin de s'affranchir du courant créer par ces charges, la zone de stockage de charges 6 est couplée à la masse via une connexion électrique 7 telle qu'un contact métallique. La grille du transistor de transfert 3 est couplée via une connexion électrique 8 telle qu'un contact métallique par exemple, à une commande de polarisation apte à appliquer un potentiel de polarisation VTG (par exemple de l'ordre du volt) à la grille du transistor de transfert en fonctionnement nominal et un potentiel opposé -VTG lors d'une réinitialisation. Par ailleurs, pour mesurer la dérive temporelle du courant drain-source du transistor de transfert 3, le noeud de lecture 4 est couplé à des moyens de traitement T, représenté sur la figure 2, via une connexion électrique 9 telle qu'un contact métallique par exemple. Sur la figure 2 est représenté de manière schématique un dispositif de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite P décrit sur la figure 1. Le dispositif comprend des moyens de traitement T comportant des moyens de mesure M et des moyens de comparaison C. Après un temps d'exposition, les moyens de mesures M délivrent la mesure de l'intensité de courant drain-source du transistor de charges du photosite P. La mesure d'intensité du courant drain-source du transistor de transfert est réalisée au niveau du noeud de lecture 4 via la connexion électrique 9. L'intensité mesurée par les moyens de mesure M est ensuite délivrée aux moyens de comparaison C qui comparent l'intensité à une intensité de référence initialement mémorisée dans une mémoire Mem. Les moyens de comparaison C délivrent alors en sortie l'énergie lumineuse correspondante à la différence de courant entre l'intensité de courant mesurée et l'intensité de référence. B 11-0069FR 7 A titre d'exemple non limitatif, les moyens de mesure et de comparaison peuvent comporter un soustracteur connecté au noeud de lecture ainsi qu'à la valeur de référence de l'intensité et délivrant une information représentative de l'énergie lumineuse reçue. L'intensité de référence peut être mémorisée en usine. Elle correspond à l'intensité de courant drain-source du photosite pour une exposition nulle à la lumière. Le dispositif comprend également des moyens de réinitialisation R permettant la réinitialisation de la mesure. Ils réinitialisent le photosite P en commandant l'application à la grille du transistor de transfert 3 d'un potentiel (-VTG) opposé au potentiel de fonctionnement nominal (VTG). Les moyens de réinitialisation R sont également couplés dans ce mode de réinitialisation aux moyens de traitement T de manière à commander la mesure de l'intensité du courant drain-source après une réinitialisation et la mémorisation de cette mesure comme intensité de référence. Sur la figure 3 est représenté un organigramme d'un procédé de mesure de l'énergie lumineuse reçue par le photosite P des figures 1 et 2. Le silicium amorphe hydrogéné possède la propriété physique de créer des liaisons pendantes lorsqu'il est éclairé. En effet, un matériau semi-conducteur amorphe possède des liaisons faibles dues à la nature désordonnée des atomes du matériau. Dans du silicium amorphe hydrogéné, les liaisons faibles peuvent être rompues et donner lieu à des liaisons pendantes à cause de l'éclairement (Effet Staebler Wronski). Ces liaisons pendantes deviennent chargées positivement par capture d'un trou photogénéré.. Le couplage à la masse de la zone de stockage 6 permet d'évacuer les charges créées par effet photoélectrique dans la jonction semi-conductrice PN de la photodiode 2. Ainsi, aucune charge n'est stockée dans la zone de stockage de charges 6. Par ailleurs, la photodiode 2 du photosite P est polarisée à un potentiel et le transistor de transfert 3 polarisé à un potentiel différent. B 11-0069FR 8 La différence de potentiels crée un champ électrique dans le silicium amorphe hydrogéné encapsulant ayant pour conséquence d'empêcher les recombinaisons électrons-trous et donc de favoriser la capture des trous dans les liaisons pendantes en face de la photodiode. I1 en résulte une accumulation de charges positives dans la couche 5 de silicium amorphe hydrogéné dans la zone en regard de la photodiode 2. Pour déterminer la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert 3, on réalise, dans une première étape 101, une mesure de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert 3 à l'aide des moyens de mesures M couplés au noeud de lecture 4 du photositeP. Le courant mesuré correspond donc à la dérive de courant drain-source qu'on peut observer dans un dispositif d'imagerie classique, c'est-à-dire, à la composante de courant supplémentaire due à la modification de la résistance d'accès induite par les charges positives stockées dans la couche 5 de silicium amorphe hydrogéné en regard de la photodiode 2. Dans une étape suivante 102, l'intensité du courant drain-source mesurée est comparée à une intensité de référence. Cette comparaison permet, dans une étape finale 103, de déterminer l'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite P pendant le temps d'exposition total à la lumière. Dans une étape 104, il est possible de commander une réinitialisation du dispositif. Dans le cas où la réinitialisation n'est pas commandée, le procédé redémarre à l'étape 103 en continuant d'accumuler de l'énergie lumineuse. La mesure suivante intégrera donc l'énergie lumineuse déjà reçue par le photosite P. Dans le cas où une réinitialisation est commandée, à l'étape 105, on applique un potentiel -VTG à la grille du transistor de transfert 3 opposé au potentiel VTG appliqué à ladite grille du transistor de transfert 3 lors du fonctionnement nominal du dispositif (étapes 101 à 103). L'application d'un tel potentiel qui inverse le champ électrique dans la couche 5 de silicium amorphe hydrogéné favorise les recombinaisons électrons trous sous éclairement et diminue donc le B 11-0069FR 9 nombre de charges dues à la capture des trous par les liaisons pendantes. La résistance d'accès du transistor revient alors à sa valeur initiale. Dans une étape suivante 106, une mesure du courant drain- source est alors réalisée et mémorisée, dans une étape 107, comme intensité de référence. Cette mesure de l'intensité de référence permet de calibrer le dispositif dans le cas où toutes les charges n'auraient pas été annulées par le processus de recombinaison. A l'issue de l'étape de mémorisation 107, le procédé peut reprendre à la première étape 101. La nouvelle mesure réalisée à l'étape 101 n'intégrera pas l'énergie lumineuse reçue précédemment par ledit au moins un photosite P. Un tel dispositif de mesure de l'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite permet de mesurer l'énergie lumineuse reçue par un matériau comme un capteur d'image d'un appareil photographique numérique sur une longue période, ou par une substance biologique sensible à la lumière telle que la peau ou un produit alimentaire. I1 est ainsi possible de surveiller la quantité de lumière reçue par une denrée périssable, ou bien de réinitialiser un capteur d'image d'un appareil photographique après une exposition prolongée à la lumière. Une autre application consiste à coupler le dispositif de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite P à un compteur temporelle. De cette manière, en croisant les deux informations obtenues, l'énergie lumineuse reçue et le temps d'exposition, il est possible d'obtenir la puissance moyenne correspondante pour le temps d'exposition mesuré. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite (P) comprenant un transistor de transfert (3) et une photodiode (2) comportant une zone de stockage de charge (6), le procédé comprenant une encapsulation du transistor de transfert (3) du photosite (P) dans une couche (5) de matériau semi-conducteur dont au moins une partie comprend un matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné, une mise à la masse de la zone de stockage de charges (6) du photosite (P), et une détermination de la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert (3). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné comporte du silicium amorphe hydrogéné. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise du silicium amorphe hydrogéné comprenant entre 1% et 10% d'hydrogène. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une génération d'un champ électrique entre la photodiode (2) et la grille du transistor de transfert (3) comportant une application d'un potentiel de polarisation (VTG) sur la grille du transistor de transfert (3). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la détermination de la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert comprend une mesure (101) de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert (3) et une comparaison (102) de ladite intensité mesurée à une intensité de référence. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le photosite comprend un noeud de lecture et on mesure l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert en utilisant le courant image mesuré au niveau du noeud de lecture. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant une mémorisation d'une intensité initiale mesurée pour le photositenon exposé à la lumière, cette intensité mesurée formant l'intensité de référence. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une réinitialisation de la mesure en appliquant un potentiel de réinitialisation (-VTG) à la grille du transistor de transfert (3) inversant le sens du champ électrique entre la grille du transistor de transfert (3) et la photodiode (2) par rapport au champ électrique en fonctionnement nominal, et une mémorisation (107) de l'intensité mesurée à l'issue de la réinitialisation, cette intensité mesurée formant l'intensité de référence. 9. Dispositif de mesure d'énergie lumineuse reçue par au moins un photosite (P) formé dans un substrat semi-conducteur (1) comprenant un transistor de transfert (3) et une photodiode (2) comportant une zone de stockage de charges (6) couplée à la masse, le transistor de transfert (3) étant encapsulée au moins en partie par un matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné, et des moyens de traitement (T) aptes à déterminer la dérive temporelle de l'intensité du courant drain-source du transistor de transfert. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le matériau semi-conducteur amorphe hydrogéné comporte du silicium amorphe hydrogéné. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le photosite (P) comprend un noeud de lecture (4), et les moyens de traitement (T) comprennent des moyens de mesures (M) couplés audit noeud de lecture (4) et des moyens de comparaison (C) aptes à comparer l'intensité du courant mesuré à une intensité de référence. 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel les moyens de comparaison (C) comprennent une mémoire (Mem) apte à mémoriser l'intensité de référence, l'intensité de référence correspondant à l'intensité du courant drain-source d'un transistor de transfert (3) d'un photosite (P) non exposé à la lumière. 13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande de réinitialisation (R) aptes à commander l'application d'un potentiel à la grille du transistorde transfert (3) inversant le sens du champ électrique entre la grille du transistor de transfert (3) et la photodiode (P) par rapport au champ électrique en fonctionnement nominal. 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel les moyens de traitement (T) sont couplés aux moyens de réinitialisation (R), les moyens de réinitialisation (R) étant aptes à commander, après une réinitialisation du photosite (P), une mesure du courant drain-source et une mémorisation dans la mémoire (Mem) de l'intensité mesurée à l'issue de la réinitialisation comme intensité de référence. 15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité desdits photosites (P) couplés en parallèle.