Brevet FR3125891A1 — publié le 20230203

L’invention concerne un détecteur photosensible matriciel comprenant un substrat (12a), plusieurs éléments photosensibles (30) organisés en lignes et en colonnes, des conducteurs de ligne (22, 24) permettant de piloter les éléments photosensibles (30) et des conducteurs de colonnes (26, 28) permettant de lire les éléments photosensibles (30), les conducteurs étant portés par le substrat (12a) du détecteur photosensible (10a) dans lequel les éléments photosensibles (30), individuellement ou par groupes, sont réalisés portés chacun sur un ou plusieurs micro-substrats indépendants du substrat du détecteur photosensible, les éléments photosensibles (30) étant raccordés individuellement aux conducteurs. L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un détecteur Figure pour l’abrégé : Fig. 1a Détecteur photosensible matriciel et procédé de réalisation du détecteur photosensible L’invention concerne un détecteur photosensible et son procédé de réalisation. L'invention trouve une utilité particulière pour la réalisation d’un détecteur photosensible utilisé pour élaborer des images visibles. L’invention n’est pas limitée à la réalisation de ce type de détecteur. L’invention peut être mise en œuvre pour réaliser un détecteur permettant d’élaborer des cartographies de pression ou de température ou encore des représentations en deux dimensions de potentiels chimiques ou électriques. Ces cartographies ou représentations forment des images de grandeurs physiques. L'invention s'applique notamment à la réalisation de détecteurs à matrices actives utilisés par exemple à des fins de détection dans des dispositifs d'imagerie par rayonnements ionisants, par exemple par rayons X ou gamma. Dans un détecteur matriciel, un pixel représente l'élément sensible élémentaire du détecteur. Chaque pixel convertit un phénomène physique auquel il est soumis en un signal électrique. Les signaux électriques issus des différents pixels sont collectés lors d'une phase de lecture de la matrice puis numérisés de manière à pouvoir être traités et stockés pour former une image. Les pixels sont formés d'une zone sensible au phénomène physique et délivrent par exemple un courant de charges électriques. Le phénomène physique peut être un rayonnement électromagnétique véhiculant un flux de photons et par la suite, l'invention sera expliquée au moyen de ce type de rayonnement et le courant de charge est fonction du flux de photons reçu par la zone sensible. La généralisation à tout détecteur matriciel sera aisée. Un détecteur d'images matriciel comprend des conducteurs de ligne, chacun reliant les pixels d'une même ligne, et des conducteurs de colonnes, chacun reliant les pixels d'une même colonne. Les conducteurs de colonnes sont connectés à des circuits de conversion généralement disposés sur un bord de la matrice que l'on peut appeler « pied de colonne ». Il est bien entendu que les appellations « lignes » et « colonnes » sont purement conventionnelles et peuvent être inversées. Chaque pixel comprend généralement un composant photosensible, ou photodétecteur, qui peut par exemple être une photodiode, une photorésistance ou un phototransistor. On trouve des matrices photosensibles de grandes dimensions qui peuvent posséder plusieurs millions de pixels organisés en lignes et en colonnes. Chaque pixel comprend en outre un circuit électronique comprenant au moins un actionneur. Le circuit électronique peut comprendre en outre d’autres interrupteurs, des capacités, des résistances, en aval desquels est placé l’actionneur. L'ensemble constitué par le composant photosensible et le circuit électronique permet de générer des signaux électriques et de les collecter. Le circuit électronique permet généralement la réinitialisation du signal collecté dans chaque pixel après un transfert pour la lecture du pixel. Le rôle de l'actionneur est de transférer ou de recopier, dans un conducteur de colonne, les signaux collectés par le circuit électronique en fonction des informations reçues du composant photosensible. Ce transfert est réalisé lorsque l'actionneur en reçoit l'instruction d'un conducteur de ligne. La sortie de l'actionneur correspond à la sortie du pixel. Les détecteurs de rayonnement X sont soumis à une contrainte de dimension. En effet, on ne dispose pas de moyen simple pour dévier ce type de rayonnement. Le détecteur doit donc posséder les dimensions de l’image à réaliser. Par exemple en radiologie médicale, un détecteur peut dépasser les 400 mm de côté. La réalisation de détecteur possédant de telles dimensions n’est pas aisée. A ce jour, il existe deux grandes familles de détecteurs matriciels de rayonnement X. La première famille met en œuvre des matériaux comme le silicium à l’état amorphe, polycristallin ou microcristallin. Ces matériaux sont déposés en couches minces sur des substrats comme par exemple en verre ou en polyimide. Une deuxième famille met en œuvre des matériaux monocristallins. La seconde famille permet d’atteindre des performances bien meilleures que la première famille. En revanche, la seconde famille est limitée en dimension du fait des substrats silicium utilisés. Pour réaliser des détecteurs de grande dimension, dans la seconde famille, il est nécessaire de rabouter plusieurs substrats sur lesquels sont réalisées des parties du détecteur. Par ailleurs, dans les deux familles de détecteurs, le taux de rebut peut être important lors de la fabrication du détecteur. En effet, plus le nombre de pixels est important plus le risque qu’au moins un pixel soit défectueux augmente. il est possible d’accepter que quelques pixels isolés soient défectueux au moyen de correction de l’image mais cela reste un palliatif imparfait. L’invention cherche tout d’abord à profiter des avantages des deux familles, c’est-à-dire permettre l’élargissement du choix du type de pixels disposés sur des substrats de grande dimension comme des substrats à base de verre ou de polyimide. De façon plus générale, l’invention cherche à dissocier le choix du substrat du détecteur photosensible et du substrat sur lequel sont réalisés les différents pixels. De plus l’invention cherche à réduire les défauts des détecteurs actuels notamment en permettant de tester individuellement chaque pixel ou chaque groupe de pixels avant de l’implanter sur le substrat du détecteur. A cet effet, l’invention a pour objet un détecteur photosensible matriciel comprenant un substrat, plusieurs éléments photosensibles organisés en lignes et en colonnes, des conducteurs de ligne permettant de piloter les éléments photosensibles et des conducteurs de colonnes permettant de lire les éléments photosensibles, les conducteurs étant portés par le substrat du détecteur photosensible, dans lequel les éléments photosensibles, individuellement ou par groupes, sont portés chacun par un ou plusieurs micro-substrats indépendants du substrat du détecteur photosensible, les éléments photosensibles étant raccordés individuellement aux conducteurs. Les éléments photosensibles sont avantageusement disposés bord à bord, à une tolérance de fabrication près, cette tolérance incluant des tolérances dimensionnelles et des déformations possibles du détecteur photosensible. Le détecteur photosensible peut être configuré pour détecter un rayonnement ionisant de type X ou gamma, le détecteur photosensible comprenant avantageusement deux scintillateurs, l'un disposé en contact des éléments photosensibles et l'autre disposé sur une face du substrat du détecteur photosensible opposée à celle recevant les éléments photosensibles. L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un détecteur photosensible matriciel comprenant un substrat, plusieurs éléments photosensibles organisés en lignes et en colonnes, des conducteurs de ligne permettant de piloter les éléments photosensibles et des conducteurs de colonnes permettant de lire les éléments photosensibles, le procédé consistant à : - réaliser sur le substrat du détecteur photosensible, les conducteurs de lignes et de colonne, - réaliser les éléments photosensibles sur un ou plusieurs micro-substrats indépendants du substrat du détecteur photosensible, - reporter chaque élément photosensible sur le substrat du dispositif photosensible. Avantageusement, le procédé consiste à tester les éléments photosensibles avant de les reporter sur le substrat du détecteur photosensible. Le détecteur photosensible peut être configuré pour détecter un rayonnement ionisant de type X ou gamma, un scintillateur configuré pour convertir le rayonnement ionisant en un rayonnement auquel les éléments photosensibles sont sensibles étant avantageusement réalisé sur chacun des éléments photosensibles avant d’être reporté sur le substrat du détecteur photosensible. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : les figures 1a, 1b, 1c et 1d représentent plusieurs exemples de morceaux de détecteurs photosensibles selon l’invention ; les figures 2 et 3 représentent en coupe partielle des exemples de détecteurs photosensibles selon l’invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Les figures 1a à 1d représentent chacune quatre pixels d’un détecteur photosensible matriciel respectivement repéré 10a, 10b, 10c et 10d. Dans la pratique les détecteurs photosensibles peuvent disposer d’un plus grand nombre de pixels, typiquement plusieurs millions. L’invention présente d’autant plus d’intérêt que le nombre de pixels est grand. Chaque détecteur photosensible 10a, 10b, 10c et 10d comprend un substrat, respectivement 12a, 12b, 12c et 12d qui peut être de toute nature comme par exemple du verre ou un matériau organique tel que le polyimide. Un avantage de l’invention est de permettre l’utilisation de substrats ayant des propriétés mécaniques très diverses, comme par exemple un substrat souple et/ou un substrat ne pouvant supporter des températures importantes. Par exemple les substrats à base de polyimide ne peuvent pas supporter des températures typiquement supérieures à 200°C. Il est bien entendu possible de mettre en œuvre un substrat mécaniquement plus rigide et/ou pouvant supporter des températures plus élevées. Chaque détecteur photosensible 10a, 10b, 10c et 10d comprend plusieurs pixels organisés en matrice de lignes et de colonnes. Les pixels sont répartis de façon régulière sur le substrat du détecteur, chacun occupant une zone du substrat. Les zones sont considérées adjacentes et sont représentées sur les figures 1a à 1d sous forme de carrés en pointillés. Quatre pixels 14, 16, 18 et 20 sont représentés sur chacune des figures 1a à 1d. Le motif de ces quatre pixels est répété pour former la surface photosensible du détecteur respectif. Chaque pixel comprend au moins un composant photosensible, par exemple une photodiode, un phototransistor, une photorésistance, un photoconducteur... Chaque pixel peut également comprendre d’autres composants électroniques comme des transistors permettant notamment la sélection du pixel pour sa lecture, sa remise à zéro, une amplification du signal issu du composant photosensible. Des fonctions plus évoluées peuvent également être intégrées à chaque pixel, comme un convertisseur analogique numérique, un circuit d’injection de contre charges... A titre d’exemple, on peut citer les demandes de brevet WO 2015/063156, et WO 2020/127180, toutes deux déposées au nom de la demanderesse, où différents types de pixels sont décrits. Chaque pixel comprend en outre des portions de pistes électriques permettant d’alimenter et de piloter le pixel considéré et permettant d’en extraire le signal utile qui peut être analogique ou déjà numérisé dans le pixel. Dans le cas d’un signal analogique, la valeur de ce signal peut être portée par une tension un courant ou une charge électrique. Dans le détecteur, les portions de pistes des pixels d’une même rangée, ligne ou colonne, sont continues et sont reliées soit à des modules de pilotage, soit à des modules de lecture situés généralement hors de la surface photosensible du détecteur. Plus précisément, les modules de pilotage permettant notamment de piloter les pixels sont par exemple disposés en extrémité des lignes de pixels et les modules de lecture sont par exemple disposés en extrémité des colonnes de pixels. Les appellations lignes et colonnes sont purement conventionnelles et il est tout à fait possible d’inverser ces appellations. Certaines pistes de ligne ou de colonne peuvent porter des tensions d’alimentation des pixels. Toute autre disposition des modules de pilotage et de lecture est bien entendue possible. Il est par exemple possible de placer les deux types de module d’un même côté ou sur des côtés opposés de la zone photosensible Pour la mise en œuvre de l’invention, pour chaque pixel, on distingue d’une part les portions de pistes et d’autre part les éléments photosensibles. Les pistes sont réalisées directement sur le substrat considéré, 12a, 12b, 12c ou 12d. Les éléments photosensibles comprenant des composants photosensibles et éventuellement d’autres composants électroniques sont réalisés à part sur un ou plusieurs substrats indépendants du substrat du détecteur. Ce ou ces substrats indépendants seront appelés par la suite, micro-substrat. Après réalisation des composants photosensibles sur leur micro-substrat, ceux-ci sont transférés vers le substrat du détecteur en les reliant aux pistes présentes sur le substrat du détecteur. Sur la , deux pistes 22 et 24 sont associées à chaque ligne de pixels et deux pistes 26 et 28 sont associées à chaque colonne de pixels. Chaque pixel 14, 16, 18 et 20 comprend un élément photosensible formé d’un composant photosensible disposé sur son propre micro-substrat. Sur la , les quatre éléments photosensibles sont identiques et portent le repère 30. Comme évoqué plus haut, en complément du composant photosensible, d’autres composants peuvent être disposés sur le micro-substrat de chaque pixel. Les pistes 22 et 24 circulent en partie haute de leur ligne de pixels respective et les pistes 26 et 28 circulent en partie droite de leur ligne de pixels respective. Des liaisons électriques entre les pistes et les éléments photosensibles 30 sont prévues entre les lignes et les colonnes respectives. Les figures 1b, 1c et 1d, représentent un cas particulier où un élément photosensible 32 porte quatre composants photosensibles appartenant chacun à un pixel et éventuellement d’autres composants directement associés aux composants photosensibles. L’association des autres composants peut être individuelle, c’est à dire à chaque composant photosensible est associé ses propres composants, ou collective, c’est-à-dire que les autres composants sont mutualisés pour plusieurs composants photosensibles, en l’occurrence pour quatre composants. Dans l’exemple représenté sur la , les pistes 22 et 24 circulent en partie haute de l’élément photosensible 32 et les pistes 26 et 28 circulent en partie droite du micro-substrat 32. Dans l’exemple représenté sur la , la piste 22 circule en partie haute de l’élément photosensible 32 et la piste 24 circule en partie basse de l’élément photosensible 32. La piste 26 circule en partie droite de l’élément photosensible 32 et la piste 28 circule en partie gauche de l’élément photosensible 32. Dans l’exemple représenté sur la , on retrouve les deux pistes 22 et 24 circulant en partie haute de l’élément photosensible 32 et les pistes 26 et 28 circulant en partie droite de l’élément photosensible 32. En complément, deux pistes 34 et 36 circulent en partie basse de l’élément photosensible 32 et deux pistes 38 et 40 circulent en partie gauche de l’élément photosensible 32. La représente le détecteur photosensible 10a en coupe partielle dans un plan perpendiculaire au substrat 12a. Plusieurs éléments photosensibles 30 y apparaissent. Sur la , les éléments photosensibles peuvent être disposés pratiquement bords à bord sur le substrat 12a. La limite de proximité des éléments photosensibles 30 peut être donnée par l’empilage des tolérances dimensionnelles permettant le bon positionnement des éléments photosensibles 30 sur le substrat 12a, notamment pour permettre leur raccordement aux pistes. On peut également tenir compte des déformations possibles du détecteur photosensible 10a dans son ensemble dont la dilatation thermique différentielle et la souplesse générale que l’on souhaite obtenir pour le substrat 12a. La disposition bord à bord des éléments photosensibles 30 permet d’augmenter la surface utile de détection photosensible en maximisant la surface de chaque composant photosensible. Les éléments photosensibles 30 sont raccordés électriquement aux pistes circulant sur le substrat 12a chacun au moyen de plots : 42 et 44. Les plots 42 sont raccordés à une piste 22 passant dans le plan de coupe. Les plots 44, en arrière du plan de coupe sont raccordés à une autre piste, par exemple 44 également située en arrière du plan de coupe. Les pistes 26 et 28 sont par exemple disposées sur une face 46 du substrat 12a opposée à la face 48 portant les pistes 22 et 24 et les éléments photosensibles 30. Les pistes 26 et 28 sont également raccordées aux éléments photosensibles 30 par l’intermédiaire de trous métallisés traversant le substrat 12a et de plots situés en arrière du plan de coupe. Le substrat 12a peut porter directement, sans micro-substrat, quelques composants électroniques, comme illustré sur la par le composant 50. Il peut s’agir de composants isolés ou de modules plus complexes tels que des modules de pilotage des pixels et émettant des signaux transmis aux pixels par les pistes, par exemple 22 et 24. Les modules de pilotage peuvent comprendre des registres à décalage permettant un pilotage séquentiel par exemple des lignes de pixels. Le substrat 12a peut également porter directement, sans micro-substrat, des circuits de lecture des différents pixels. Alternativement, à la réalisation directe des modules de pilotage et de lecture directement sur le substrat 12a, les modules peuvent également être réalisés chacun sur un micro-substrat qui lui est propre. Ces modules sont reportés sur le substrat 12a de la même façon que les éléments photosensibles 30. La variante de la peut bien entendu être adaptée aux autres exemples de détecteurs photosensibles 10b, 10c et 10d. Le détecteur photosensible selon l’invention peut être configuré pour détecter directement le rayonnement incident auquel il est sensible. Les composants photosensibles sont alors choisis pour être directement sensibles à la longueur d’onde du rayonnement incident. Par exemple, dans le cas de détecteur d’imagerie X, il est possible de mettre en œuvre des photoconducteurs directement sensibles au rayonnement X. Toujours en imagerie X, il est possible de mettre en œuvre des composants photosensibles sensibles à une autre bande de longueur d’onde, telle qu’en lumière visible et d’intercaler un scintillateur entre le rayonnement incident et les composants photosensibles. Le scintillateur convertit les photons X reçus en photons visibles. Le scintillateur est par exemple réalisé à base d’iodure de césium reconnu pour ses propriétés de conversion. Il est par exemple possible de réaliser un scintillateur 60 sur un substrat dédié 62. L’iodure de césium 64 est alors déposé sur le substrat 62. Le scintillateur 60 est alors rapporté sur les éléments photosensibles 30 après leur mise en place sur le substrat 12a. La représente une configuration particulière du détecteur mettant en œuvre un second scintillateur 66 disposé sur la face 46 du substrat 12a du détecteur photosensible. Le scintillateur 66 peut être réalisé sur un substrat dédié 68 sur lequel on fait croitre le matériau actif 70 réalisant la conversion. Alternativement il est possible de faire croitre le matériau actif 70 directement sur le substrat 12a. Cette disposition à deux scintillateurs associés à un substrat 12a transparent et à des éléments photosensibles 30 également transparents permet de récupérer des photons X ayant traversé le premier scintillateur 60 sans être convertis en lumière visible pour les convertir dans le second scintillateur 66 et en renvoyer la lumière convertie vers les éléments photosensibles en traversant le substrat 12a et les micro-substrats des éléments photosensibles 30. Cette configuration permet d’améliorer le compromis absorption/résolution spatiale. Cette configuration présente aussi un intérêt particulier en spectroscopie en opérant une séparation spectrale au moyen d’éléments photosensibles orientés soit vers le premier scintillateur 60 soit vers le second 66. En mettant en œuvre l’invention, le choix du substrat 12a peut se faire indépendamment de celui des éléments photosensibles 30 spécialement adaptés à la réalisation des éléments photosensibles. Il par exemple possible de réaliser le substrat 12a dans un matériau fin et transparent à la fois au rayonnement incident X et au rayonnement lumineux émis par le second scintillateur 66. La représente une variante de détecteur photosensible dans lequel chaque élément photosensible 30 est équipé de son propre scintillateur 72. Un scintillateur 72 est réalisé sur chacun des éléments photosensibles 30 avant être reporté sur le substrat 12a. Détecteur photosensible matriciel comprenant un substrat (12a, 12b, 12c, 12d), plusieurs éléments photosensibles (30, 32) organisés en lignes et en colonnes, des conducteurs de ligne (22, 24, 34, 36) permettant de piloter les éléments photosensibles (30, 32) et des conducteurs de colonnes (26, 28, 38, 40) permettant de lire les éléments photosensibles (30, 32), les conducteurs étant portés par le substrat (12a, 12b, 12c, 12d) du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d) dans lequel les éléments photosensibles (30, 32), individuellement ou par groupes, sont portés chacun sur un ou plusieurs micro-substrats indépendants du substrat du détecteur photosensible, les éléments photosensibles (30, 32) étant raccordés individuellement aux conducteurs. Détecteur photosensible selon la revendication 1, dans lequel les éléments photosensibles (30, 32) sont disposés bord à bord, à une tolérance de fabrication près, cette tolérance incluant des tolérances dimensionnelles et des déformations possibles du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d). Détecteur photosensible selon l’une des revendications précédentes, le détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d) étant configuré pour détecter un rayonnement ionisant de type X ou gamma, le détecteur photosensible comprenant en outre deux scintillateurs (60, 66), l’un disposé en contact des éléments photosensibles (30, 32) et l’autre disposé sur une face (46) du substrat (12a, 12b, 12c, 12d) du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d) opposée à celle (48) recevant les éléments photosensibles (30, 32). Procédé de réalisation d’un détecteur photosensible matriciel comprenant un substrat (12a, 12b, 12c, 12d), plusieurs éléments photosensibles (30, 32) organisés en lignes et en colonnes, des conducteurs de ligne (22, 24, 34, 36) permettant de piloter les éléments photosensibles et des conducteurs de colonnes (26, 28, 38, 40) permettant de lire les éléments photosensibles, le procédé consistant à : - réaliser sur le substrat (12a, 12b, 12c, 12d) du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d), les conducteurs de lignes et de colonne, - réaliser les éléments photosensibles (30, 32) sur un ou plusieurs micro-substrats indépendants du substrat du détecteur photosensible, - reporter chaque élément photosensible sur le substrat du dispositif photosensible. Procédé selon la revendication 4, consistant à tester les éléments photosensibles (30, 32) avant de les reporter sur le substrat (12a, 12b, 12c, 12d) du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d). Procédé selon l’une des revendications 4 ou 5, le détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d) étant configuré pour détecter un rayonnement ionisant de type X ou gamma, dans lequel un scintillateur (72) configuré pour convertir le rayonnement ionisant en un rayonnement auquel les éléments photosensibles (30, 32) sont sensibles est réalisé sur chacun des éléments photosensibles (30, 32) avant être reporté sur le substrat (12a, 12b, 12c, 12d) du détecteur photosensible (10a, 10b, 10c, 10d).