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WO2023036481A1 - Capteur d'images couleur et infrarouge - Google Patents

Capteur d'images couleur et infrarouge Download PDF

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WO2023036481A1
WO2023036481A1 PCT/EP2022/067340 EP2022067340W WO2023036481A1 WO 2023036481 A1 WO2023036481 A1 WO 2023036481A1 EP 2022067340 W EP2022067340 W EP 2022067340W WO 2023036481 A1 WO2023036481 A1 WO 2023036481A1
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WO
WIPO (PCT)
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photodetectors
infrared
visible
sensor
photodetector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2022/067340
Other languages
English (en)
Inventor
Benjamin BOUTHINON
Camille DUPOIRON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isorg SA
Original Assignee
Isorg SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isorg SA filed Critical Isorg SA
Priority to US18/685,451 priority Critical patent/US20250126960A1/en
Priority to JP2024512199A priority patent/JP2024536693A/ja
Priority to TW111206905U priority patent/TWM645192U/zh
Publication of WO2023036481A1 publication Critical patent/WO2023036481A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/199—Back-illuminated image sensors

Definitions

  • This application relates to an image sensor or electronic imager.
  • Image sensors are used in many fields, in particular in electronic devices thanks to their miniaturization. Image sensors are found whether in man-machine interface applications or in image capture applications.
  • an image sensor allowing the simultaneous acquisition of a color image and an infrared image.
  • Such an image sensor is called color and infrared image sensor in the remainder of the description.
  • An example of application of a color and infrared image sensor relates to the acquisition of an infrared image of an object on which is projected a structured infrared pattern. Fields of use of such image sensors are in particular automobiles, drones, smart telephones, robotics and augmented and/or virtual reality systems.
  • One embodiment overcomes all or part of the drawbacks of the color and infrared image sensors described above. [0005] One embodiment provides a color and infrared image sensor comprising:
  • microlenses comprising a specific microlens facing each infrared photodetector, in which the visible photodetectors are offset laterally with respect to the infrared photodetectors.
  • the senor comprises, between the second level and the layer of microlenses, a layer of color filters comprising a specific color filter opposite each visible photodetector.
  • the color filters are laterally separated from each other by opaque walls.
  • the microlenses are offset laterally with respect to the color filters.
  • the visible photodetectors are arranged in a first matrix, and the infrared photodetectors are arranged in a second matrix of the same resolution and of the same pitch as the first matrix.
  • the center-to-center distance between any two neighboring visible and infrared photodetectors is substantially equal to half the pitch of the first and second matrices.
  • the sensor comprises an inorganic semiconductor substrate, for example monocrystalline silicon, in and on which are formed reading circuits of the visible and infrared photodetectors.
  • the infrared photodetectors are inorganic photodetectors formed in said semiconductor substrate, and the visible photodetectors are organic photodetectors.
  • the infrared photodetectors are organic photodetectors formed above the semiconductor substrate, and the visible photodetectors are organic photodetectors.
  • each visible photodetector has an active region separated from the active zones of the other photodetectors by an opaque wall.
  • FIG. 1A is a section view schematically representing an example of a color and infrared image sensor according to a first embodiment
  • FIG. 1B is a schematic partial top view of the color and infrared image sensor of FIG. 1A;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically representing an alternative embodiment of the sensor of FIGS. IA and IB;
  • Figure 3 is a sectional view schematically showing another embodiment of the sensor of Figures IA and IB;
  • FIG. 4 is a sectional view schematically representing an example of a color and infrared image sensor according to a second embodiment. Description of embodiments
  • the terms “insulator” and “conductor” respectively mean “insulator electrically” and “electrically conductive”.
  • “in contact with” means “in mechanical contact with”.
  • an optoelectronic device the radiation of interest may include the visible spectrum and the near infrared, that is to say the wavelengths between 400 nm and 1700 nm, more precisely from 400 nm to 700 nm for the visible spectrum and from 700 nm to 1700 nm for the near infrared
  • the transmittance of a layer to radiation corresponds to the ratio between the intensity of the radiation leaving the layer and the intensity of the incoming radiation in the layer, the rays of the incoming radiation being perpendicular to the layer.
  • a layer or a film is said to be opaque to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or film is less than 10 %.
  • a layer or a film is said to be transparent to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or the film is greater than 10%.
  • a pixel of an image corresponds to the unitary element of the image captured by an image sensor.
  • the optoelectronic device is a color image sensor, it generally comprises for each pixel of the color image to be acquired at least three components which each acquire light radiation substantially in a single color, that is ie in a wavelength range below 100 nm (for example, red, green and blue). Each component can comprise at least one photodetector.
  • Figure IA is a partial and schematic sectional view of an example of a color and infrared image sensor 100 according to one embodiment.
  • the image sensor 100 of Figure IA comprises a matrix of first photodetectors, also called infrared photodetectors, adapted to capture an infrared image, and a matrix of second photodetectors, also called visible photodetectors, adapted to capture a visible image color.
  • first photodetectors also called infrared photodetectors
  • second photodetectors also called visible photodetectors
  • the infrared photodetectors are formed in and on a semiconductor substrate 101, for example inorganic, for example silicon, for example monocrystalline silicon.
  • Each infrared photodetector comprises for example a doped region 101D of the semiconductor substrate 101, defining a photodiode.
  • the visible photodetectors are, in this example, organic photodiodes formed above the substrate 101.
  • the organic photodiodes are for example more precisely based on a polymer material or based on small molecules.
  • the matrix of visible photodetectors is arranged above the matrix of infrared photodetectors.
  • the sensor 100 is intended to be illuminated by its upper face.
  • the substrate 101 is coated with a stack 103 (called interconnection stack) of insulating layers, for example in oxide of silicon, in which are formed metallic tracks and interconnecting metallic vias.
  • a stack 103 (called interconnection stack) of insulating layers, for example in oxide of silicon, in which are formed metallic tracks and interconnecting metallic vias.
  • Portions of the stack 103 comprising neither tracks nor metal interconnection vias, also called transmission windows, are arranged opposite the infrared photodetectors, so as to allow part of the incident radiation to pass in the direction of the photodetectors. infrared.
  • the visible photodetectors are arranged on the side of the upper face of the interconnection stack 103.
  • the visible photodetectors each comprise a stack of a lower electrode 105, an active region comprising a portion of organic semiconductor layer 107 , and an upper electrode (not shown).
  • the active region comprises for example, but not necessarily, an electron injection layer on and in contact with a face, for example the lower face, of the organic semiconductor layer 107, and a hole injection layer on and in contact with the other face, for example the upper face, of the organic semiconductor layer 107.
  • the active region may further comprise one or more electron blocking layers and/or one or more hole blocking layers (not shown) .
  • the active region forms, for example, but not necessarily, a continuous layer extending over substantially the entire surface of the sensor 100.
  • the lower electrodes 105 of the visible photodetectors are differentiated so as to allow individual reading of the visible photodetectors.
  • the upper electrodes (not detailed in FIG. 1A) of the visible photodetectors (in contact with the upper face of the active region) are for example common.
  • the upper electrodes of the visible photodetectors form a continuous layer extending over substantially the entire surface of the active zone of the sensor 100, for example over a surface slightly larger than that of the active zone of the sensor 100.
  • the lower and upper electrodes are preferably at least partially transparent.
  • the matrix of visible photodetectors can be coated with one or more encapsulation layers 109, for example insulating layers, making it possible in particular to protect the organic semiconductor material 107 against external attacks (humidity, oxidation, etc.).
  • Each visible photodetector is surmounted by a color filter 111, coating, in this example, the encapsulation layer 109.
  • the color filters 111 may correspond to blocks of colored resin.
  • the lower electrodes 105 of the visible photodetectors are aligned with respect to the color filters 111.
  • Each color filter 111 is adapted to allow infrared radiation to pass, for example at a wavelength between 700 nm and 1 mm, and, for at least minus some of the color filters 111, to pass a range of visible light wavelengths.
  • the image sensor 100 can comprise a photodetector surmounted by a color filter 111 adapted to allow only blue light to pass, for example in the wavelength range of 430 nm to 490 nm (defining a first sub-pixel called blue sub-pixel), a second photodetector surmounted by a color filter 111 adapted to only let through green light, for example in the wavelength range from 510 nm to 570 nm (defining a second sub-pixel called the green sub-pixel) and a photodetector surmounted by a color filter 111 adapted to allow only red light to pass, for example in the wavelength range from 600 nm to 720 nm (defining a third sub-pixel called sub-pixel red) .
  • the color filters 111 are arranged according to a Bayer matrix.
  • the layer of color filters 111 is surmounted by a layer of microlenses 113.
  • the layer of microlenses 113 comprises a specific microlens 113 for each infrared photodetector.
  • Each microlens 113 is a convergent microlens adapted to focus the incident light on or in the photosensitive zone of the associated infrared photodetector.
  • the focal axis of each microlens 113 passes through the photosensitive zone of the associated infrared photodetector, so that the majority of the incident rays are focused on or in the photosensitive zone of the infrared photodetector.
  • the center of the microlens 113 substantially coincides with the center of the photosensitive zone of the underlying infrared photodetector.
  • the center of each microlens 113 can be offset laterally with respect to the center of the photosensitive zone of the corresponding infrared photodetector. This makes it possible, for example, to compensate for optical effects caused by a main lens of the sensor (not represented in FIG. 2) located above the layer of microlenses 113 and by the fact that the sensor is substantially planar.
  • each microlens 113 focuses the light on the upper face of the photosensitive zone of the underlying infrared photodetector, and/or a cone 115 for focusing the light transmitted by each microlens 113 is flush with the metallizations of the interconnection stack 103 surrounding, in top view, the photosensitive zone of the underlying infrared photodetector.
  • the light can be focused according to another cone 117 at a point on the upper surface of the substrate 101 located approximately directly above the center of the overlying microlens 113.
  • the microlenses 113 of the sensor 100 are dedicated to infrared photodetectors and the color filters 111 are dedicated to visible photodetectors.
  • Figure IB is a top view, schematic and partial, of the color and infrared image sensor 100 of Figure IA.
  • the layer of microlenses 113 comprises a matrix of contiguous microlenses 113 of the same resolution and of the same pitch as the matrix of infrared photodetectors.
  • the microlenses 113 have been symbolized, in FIG. 1B, by squares, it being understood that each microlens 113 can, in top view, have any shape, for example circular.
  • the layer of color filters 111 comprises a matrix of contiguous color filters 111 of the same pitch and the same resolution as the matrix of visible photodetectors.
  • the visible photodetector matrix has for example the same pitch and the same resolution as the infrared photodetector matrix.
  • the matrix of color filters 111 has, for example, substantially the same pitch and the same resolution as the matrix of microlenses 113.
  • the microlenses 113 have substantially the same dimensions. than color filters 111.
  • the visible photodetectors are offset laterally compared to infrared photodetectors.
  • each infrared photodetector is partially surmounted by at least four visible photodetectors and each visible photodetector extends partially over at least four infrared photodetectors.
  • each color filter 111 is partially surmounted by at least four microlenses 113 and each microlens 113 extends partially over at least four color filters 111.
  • the color filters 111 are respectively centered on the underlying visible photodetectors, and are off center with respect to the underlying infrared photodetectors.
  • the visible photodetectors are offset laterally by half a matrix pitch with respect to the infrared photodetectors.
  • the microlenses 113 are offset laterally by half a step with respect to the color filters 111.
  • the semiconductor substrate 101 may further comprise circuits for reading infrared and visible photodetectors.
  • the read circuits are for example produced in CMOS technology (from the English
  • the interconnection stack 103 coating the upper face of the substrate 101 may in particular comprise metallizations electrically connecting at least one electrode 105 of each photodetector visible to the read circuits formed in and on the substrate 101.
  • each visible photodetector corresponds to the area in which the majority of the incident radiation is absorbed and converted into an electrical signal by the photodetector and corresponds substantially to the part of the active layer located between the lower electrode 105 and the upper electrode of the photodetector, for example directly above electrode 105.
  • An advantage of the embodiment of Figures IA and IB is that, due to the offset between the infrared photodetectors and the visible photodetectors, the metallizations of the interconnect stack 103 coating the semiconductor substrate 101, and in particular the interconnection metallizations making it possible to electrically connect the electrodes 105 of the visible organic photodetectors to the read circuits formed in and on the substrate 101, do not block, or only partially, the radiation transmitted to the infrared photodetectors.
  • Figure 2 is a sectional view schematically showing an alternative embodiment of the sensor 100 of Figures IA and IB.
  • opaque walls 201 laterally separate the color filters 111 from each other to avoid crosstalk phenomena (optical cross talk) between the different visible sub-pixels.
  • Figure 3 is a sectional view schematically showing another embodiment of the sensor 100 of Figures IA and IB.
  • opaque walls 301 laterally separate the visible organic photodetectors from each other to avoid optical cross talk phenomena between different visible sub-pixels.
  • trenches are first etched through the active layer between the visible photodetectors, then an opaque filling material, for example metal, is deposited in the trenches to form the opaque walls 301.
  • an opaque filling material for example metal
  • Figure 4 is a sectional view schematically representing an example of a color and infrared image sensor 400 according to a second embodiment.
  • the sensor 400 of Figure 4 differs from the sensor 100 of Figures IA and IB mainly in that, in the embodiment of Figure 4, the sensor 400 comprises two organic active levels 401 and 403 superimposed above the semiconductor substrate 101.
  • the infrared photodetectors are formed in the first organic active level 401 starting from the upper face of the semiconductor substrate 101, called lower level, and the visible photodetectors are formed in the second organic active level 403 starting from the upper face of the semiconductor substrate 101, called upper level.
  • at least one of the active levels 401 and 403 is based on quantum dots or perovskites.
  • a dielectric layer 405 separates the two organic active levels 401 and 403.
  • each organic active level 401, 403 has a thickness of between 50 nm and 2 ⁇ m, preferably between 400 nm and 600 nm or between 600 nm and 1200 nm, and the dielectric layer 405 has a thickness of less than 3 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m.
  • the dielectric layer 405 is for example a layer of resin.
  • the dielectric layer 405 is made of silicon nitride or silicon oxide.
  • the lower semiconductor substrate 101 does not comprise photodetectors, but only reading circuits for the visible and infrared photodetectors formed in and on the semiconductor substrate 101 .
  • the lower organic active level 401 is first deposited on the upper face of the interconnection stack 103 .
  • First openings are then made in the level 401 at the desired locations of the vias 407 .
  • the dielectric layer 405 is deposited on the lower organic level 401 .
  • the dielectric layer 405 fills the first openings previously formed in the level 401 .
  • Second openings for example aligned with respect to the first openings, are then made in the dielectric layer 403 .
  • the second openings pass through the dielectric layer 405 and the lower organic level 401 and expose parts of the upper face of the interconnect stack 103 .
  • the second openings have for example, in top view, lateral dimensions smaller than those of the first openings so that the sides of the second openings are coated with portions (not detailed in the figure) of the dielectric layer 405 .
  • Each second opening is then filled with a metal deposit to complete the production of the vias 407 .
  • the metal part of each via 407 is electrically insulated from the lower organic level 401 by the portions of the dielectric layer 405 coating the sides of the second openings
  • the visible photodetectors are offset laterally with respect to the infrared photodetectors.
  • the microlenses 113 are offset laterally with respect to the color filters 111.
  • each microlens 113 is a convergent microlens adapted to focus the incident light on or in the active region of the underlying infrared photodetector.
  • the cone 115 for focusing the light transmitted by each microlens 113 is flush with the metallizations connecting the overlying visible photodetectors to the interconnection stack 103.
  • the light can additionally, or alternatively, be focused according to the cone 117 at a point on the interconnect stack 103 located approximately directly above the center of the overlying microlens 113.

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

La présente description concerne un capteur (100) d'images couleur et infrarouge comprenant : – un premier niveau dans lequel sont formés des photodétecteurs infrarouge; – un deuxième niveau, situé au-dessus du premier niveau, dans lequel sont formés des photodétecteurs visible; et – une couche de microlentilles (113) comprenant une microlentille spécifique en vis-à-vis de chaque photodétecteur infrarouge, dans lequel les photodétecteurs visible sont décalés latéralement par rapport aux photodétecteurs infrarouge.

Description

DESCRIPTION
CAPTEUR D'IMAGES COULEUR ET INFRAROUGE
La présente demande revendique la priorité de la demande de brevet français 21/09529, qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine technique
[0001] La présente demande concerne un capteur d'images ou imageur électronique.
Technique antérieure
[0002] Les capteurs d'images sont utilisés dans de nombreux domaines, en particulier dans les dispositifs électroniques grâce à leur miniaturisation. On retrouve des capteurs d' images que ce soit dans des applications d' interface homme- machine ou dans des applications de prise d'images.
[0003] Pour certaines applications, il est souhaitable de disposer d'un capteur d'images permettant de faire l'acquisition simultanée d'une image couleur et d'une image infrarouge. Un tel capteur d'images est appelé capteur d' images couleur et infrarouge dans la suite de la description Un exemple d'application d'un capteur d'images couleur et infrarouge concerne l'acquisition d'une image infrarouge d'un objet sur lequel est projeté un motif infrarouge structuré. Des domaines d'utilisation de tels capteurs d'images sont notamment l'automobile, les drones, les téléphones intelligents, la robotique et les systèmes à réalité augmentée et/ou virtuelle.
Résumé de l'invention
[0004] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs d' images couleur et infrarouge décrits précédemment. [ 0005 ] Un mode de réalisation prévoit un capteur d' images couleur et infrarouge comprenant :
- un premier niveau dans lequel sont formés des photodétecteurs infrarouge ;
- un deuxième niveau, situé au-dessus du premier niveau, dans lequel sont formés des photodétecteurs visible ; et
- une couche de microlentilles comprenant une microlentille spéci fique en vis-à-vis de chaque photodétecteur infrarouge , dans lequel les photodétecteurs visible sont décalés latéralement par rapport aux photodétecteurs infrarouge .
[ 0006 ] Selon un mode de réalisation, le capteur comprend, entre le deuxième niveau et la couche de microlentilles , une couche de filtres de couleur comprenant un filtre de couleur spéci fique en vis-à-vis de chaque photodétecteur visible .
[ 0007 ] Selon un mode de réalisation, les filtres de couleur sont séparés latéralement les uns des autres par des murs opaques .
[ 0008 ] Selon un mode de réalisation, les microlentilles sont décalées latéralement par rapport aux filtres de couleur .
[ 0009 ] Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs visible sont agencés en une première matrice , et les photodétecteurs infrarouge sont agencés en une deuxième matrice de même résolution et de même pas que la première matrice .
[ 0010 ] Selon un mode de réalisation, en vue de dessus , la distance centre à centre entre deux photodétecteurs visible et infrarouge voisins quelconques est sensiblement égale à la moitié du pas des première et deuxième matrices .
[ 0011 ] Selon un mode de réalisation, le capteur comprend un substrat semiconducteur inorganique , par exemple en silicium monocristallin, dans et sur lequel sont formés des circuits de lecture des photodétecteurs visible et infrarouge . [ 0012 ] Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs infrarouge sont des photodétecteurs inorganiques formés dans ledit substrat semiconducteur, et les photodétecteurs visible sont des photodétecteurs organiques .
[ 0013 ] Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs infrarouge sont des photodétecteurs organiques formés au- dessus du substrat semiconducteur, et les photodétecteurs visible sont des photodétecteurs organiques .
[ 0014 ] Selon un mode de réalisation, chaque photodétecteur visible présente une région active séparée de zones actives des autres photodétecteurs par un mur opaque .
Brève description des dessins
[ 0015 ] Ces caractéristiques et avantages , ainsi que d' autres , seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitati f en relation avec les figures j ointes parmi lesquelles :
[ 0016 ] la figure IA est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d' un capteur d' images couleur et infrarouge selon un premier mode de réalisation ;
[ 0017 ] la figure IB est une vue de dessus , schématique et partielle , du capteur d' images couleur et infrarouge de la figure IA ;
[ 0018 ] la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation du capteur des figures IA et IB ;
[ 0019 ] la figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique une autre variante de réalisation du capteur des figures IA et IB ; et
[ 0020 ] la figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d' un capteur d' images couleur et infrarouge selon un deuxième mode de réalisation . Description des modes de réalisation
[0021] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0022] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, l'utilisation faite des capteurs d'images décrits ci-après n'a pas été détaillée.
[0023] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0024] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
[0025] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0026] En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement". En outre, sauf indication contraire, "au contact de" signifie "au contact mécanique de". De plus, on appelle "rayonnement d'intérêt" le rayonnement que l'on souhaite capter ou émettre par un dispositif optoélectronique. À titre d'exemple, le rayonnement d' intérêt peut comprendre le spectre visible et le proche infrarouge, c'est-à-dire les longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 1 700 nm, plus précisément de 400 nm à 700 nm pour le spectre visible et de 700 nm à 1 700 nm pour le proche infrarouge. La transmittance d'une couche à un rayonnement correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche, les rayons du rayonnement entrant étant perpendiculaires à la couche. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %.
[0027] Un pixel d'une image correspond à l'élément unitaire de l'image captée par un capteur d'images. Lorsque le dispositif optoélectronique est un capteur d'images couleur, il comprend en général pour chaque pixel de l'image couleur à acquérir au moins trois composants qui font l'acquisition chacun d'un rayonnement lumineux sensiblement dans une seule couleur, c'est-à-dire dans une plage de longueurs d'onde inférieure à 100 nm (par exemple, le rouge, le vert et le bleu) . Chaque composant peut comprendre au moins un photodétecteur . [0028] On prévoit ici de réaliser un capteur d'images couleur et infrarouge comprenant, de préférence, au moins une couche semiconductrice organique.
[0029] La figure IA est une vue en coupe partielle et schématique d'un exemple d'un capteur 100 d'images couleur et infrarouge selon un mode de réalisation.
[0030] Le capteur d'images 100 de la figure IA comprend une matrice de premiers photodétecteurs, également appelés photodétecteurs infrarouge, adaptée à capter une image infrarouge, et une matrice de deuxièmes photodétecteurs, également appelés photodétecteurs visible, adaptée à capter une image visible couleur.
[0031] Les photodétecteurs infrarouge sont formés dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple inorganique, par exemple en silicium, par exemple en silicium monocristallin. Chaque photodétecteur infrarouge comprend par exemple une région dopée 101D du substrat semiconducteur 101, définissant une photodiode.
[0032] Les photodétecteurs visible sont, dans cet exemple, des photodiodes organiques formées au-dessus du substrat 101. Les photodiodes organiques sont par exemple plus précisément à base d'un matériau polymère ou à base de petites molécules. À titre de variante, on pourrait prévoir des photodiodes à base de boîtes quantiques ("quantum dots", en anglais) ou à base de pérovskite, c'est-à-dire d'un matériau présentant une structure de type pérovskite. Dans l'exemple représenté, la matrice de photodétecteurs visible est disposée au-dessus de la matrice de photodétecteurs infrarouge. Le capteur 100 est destiné à être éclairé par sa face supérieure.
[0033] Dans l'exemple de la figure IA, le substrat 101 est revêtu par un empilement 103 (appelé empilement d'interconnexion) de couches isolantes, par exemple en oxyde de silicium, dans lequel sont formés des pistes métalliques et des vias métalliques d'interconnexion. Des portions de l'empilement 103 ne comprenant ni pistes ni vias métalliques d' interconnexion, aussi appelées fenêtres de transmission, sont disposées en vis-à-vis des photodétecteurs infrarouge, de façon à laisser passer une partie du rayonnement incident en direction des photodétecteurs infrarouge.
[0034] Les photodétecteurs visible sont disposés du côté de la face supérieure de l'empilement d'interconnexion 103. Les photodétecteurs visible comprennent chacun un empilement d'une électrode inférieure 105, d'une région active comprenant une portion de couche semiconductrice organique 107, et d'une électrode supérieure (non représentée) . La région active comprend par exemple, mais non nécessairement, une couche d'injection d'électrons sur et en contact avec une face, par exemple la face inférieure, de la couche semiconductrice organique 107, et une couche d'injection de trous sur et en contact avec l'autre face, par exemple la face supérieure, de la couche semiconductrice organique 107. La région active peut en outre comprendre une ou plusieurs couches bloqueuses d'électrons et/ou une ou plusieurs couches bloqueuses de trous (non représentées) . La région active forme par exemple, mais non nécessairement, une couche continue s'étendant sur sensiblement toute la surface du capteur 100.
[0035] À titre d'exemple, les électrodes inférieures 105 des photodétecteurs visible (en contact avec la face inférieure de la région active) sont dif f érentiées de façon à permettre une lecture individuelle des photodétecteurs visible. Les électrodes supérieures (non détaillées sur la figure IA) des photodétecteurs visible (en contact avec la face supérieure de la région active) sont par exemple communes. À titre d'exemple, les électrodes supérieures des photodétecteurs visible forment une couche continue s'étendant sur sensiblement toute la surface de la zone active du capteur 100, par exemple sur une surface légèrement plus importante que celle de la zone active du capteur 100. Les électrodes inférieure et supérieure sont de préférence au moins partiellement transparentes.
[0036] La matrice de photodétecteurs visible peut être revêtue par une ou plusieurs couches d'encapsulation 109, par exemple des couches isolantes, permettant notamment de protéger le matériau semiconducteur organique 107 contre des agressions extérieures (humidité, oxydation, etc.) .
[0037] Chaque photodétecteur visible est surmonté d'un filtre de couleur 111, revêtant, dans cet exemple, la couche d'encapsulation 109. Les filtres de couleur 111 peuvent correspondre à des blocs de résine colorée. Les électrodes inférieures 105 des photodétecteurs visible sont alignées par rapport aux filtres de couleur 111. Chaque filtre de couleur 111 est adapté à laisser passer le rayonnement infrarouge, par exemple à une longueur d'onde entre 700 nm et 1 mm, et, pour au moins certains des filtres de couleur 111, à laisser passer une plage de longueurs d'onde de la lumière visible. Pour chaque pixel de l'image couleur à acquérir, le capteur d'images 100 peut comprendre un photodétecteur surmonté d'un filtre de couleur 111 adapté à ne laisser passer que la lumière bleue, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 430 nm à 490 nm (définissant un premier sous-pixel appelé sous-pixel bleu) , un deuxième photodétecteur surmonté d'un filtre de couleur 111 adapté à ne laisser passer que la lumière verte, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 510 nm à 570 nm (définissant un deuxième sous-pixel appelé sous-pixel vert) et un photodétecteur surmonté d'un filtre de couleur 111 adapté à ne laisser passer que la lumière rouge, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 600 nm à 720 nm (définissant un troisième sous-pixel appelé sous-pixel rouge) . À titre d'exemple, les filtres de couleur 111 sont agencés selon une matrice de Bayer.
[0038] Dans cet exemple, la couche de filtres de couleur 111 est surmontée par une couche de microlentilles 113. Plus particulièrement, la couche de microlentilles 113 comprend une microlentille 113 spécifique pour chaque photodétecteur infrarouge. Chaque microlentille 113 est une microlentille convergente adaptée à focaliser la lumière incidente sur ou dans la zone photosensible du photodétecteur infrarouge associé. Autrement dit, l'axe focal de chaque microlentille 113 passe par la zone photosensible du photodétecteur infrarouge associé, de façon que la majorité des rayons incidents soient focalisés sur ou dans la zone photosensible du photodétecteur infrarouge. À titre d'exemple, en vue de dessus, pour un pixel situé dans une région centrale du capteur, le centre de la microlentille 113 coïncide sensiblement avec le centre de la zone photosensible du photodétecteur infrarouge sous-jacent. Pour des pixels situés dans une région périphérique du capteur, le centre de chaque microlentille 113 peut être décalé latéralement par rapport au centre de la zone photosensible du photodétecteur infrarouge correspondant. Cela permet par exemple de compenser des effets optiques causés par une lentille principale du capteur (non représentée en figure 2) située au-dessus de la couche de microlentilles 113 et par le fait que le capteur est sensiblement plan.
[0039] À titre d'exemple, chaque microlentille 113 focalise la lumière sur la face supérieure de la zone photosensible du photodétecteur infrarouge sous-jacent, et/ou un cône 115 de focalisation de la lumière transmise par chaque microlentille 113 affleure les métallisations de l'empilement d'interconnexion 103 entourant, en vue de dessus, la zone photosensible du photodétecteur infrarouge sous-jacent. À titre de variante, la lumière peut être focalisée selon un autre cône 117 en un point de la surface supérieure du substrat 101 situé approximativement à l'aplomb du centre de la microlentille 113 sus-jacente.
[0040] Les microlentilles 113 du capteur 100 sont dédiées aux photodétecteurs infrarouge et les filtres couleur 111 sont dédiés aux photodétecteurs visible.
[0041] La figure IB est une vue de dessus, schématique et partielle, du capteur d'images 100 couleur et infrarouge de la figure IA.
[0042] Dans l'exemple illustré en figure IB, la couche de microlentilles 113 comprend une matrice de microlentilles 113 jointives de même résolution et de même pas que la matrice de photodétecteurs infrarouge. À des fins de simplification, les microlentilles 113 ont été symbolisées, en figure IB, par des carrés étant entendu que chaque microlentille 113 peut, en vue de dessus, présenter une forme quelconque, par exemple circulaire .
[0043] En outre, dans cet exemple, la couche de filtres de couleur 111 comprend une matrice de filtres de couleur 111 jointifs de même pas et de même résolution que la matrice de photodétecteurs visible.
[0044] La matrice de photodétecteurs visible a par exemple le même pas et la même résolution que la matrice de photodétecteurs infrarouge. Dans ce cas, la matrice de filtres de couleur 111 a, par exemple, sensiblement le même pas et la même résolution que la matrice de microlentilles 113. À titre d'exemple, en vue de dessus, les microlentilles 113 ont sensiblement les mêmes dimensions que les filtres de couleur 111.
[0045] Selon un aspect du mode de réalisation des figures IA et IB, les photodétecteurs visible sont décalés latéralement par rapport aux photodétecteurs infrarouge. Autrement dit, chaque photodétecteur infrarouge est surmonté partiellement par au moins quatre photodétecteurs visible et chaque photodétecteur visible s'étend partiellement sur au moins quatre photodétecteurs infrarouge.
[0046] Il en résulte que, dans le mode de réalisation des figures IA et IB, les microlentilles 113 sont décalées latéralement par rapport aux filtres de couleur 111. Autrement dit, en vue de dessus, les centres des microlentilles 113 sont décalés latéralement par rapport aux centres des filtres de couleur 111. Ainsi, chaque filtre de couleur 111 est surmonté partiellement par au moins quatre microlentilles 113 et chaque microlentille 113 s'étend partiellement sur au moins quatre filtres de couleur 111.
[0047] À titre d'exemple, les filtres de couleur 111 sont centrés respectivement sur les photodétecteurs visible sous- jacents, et sont décentrés par rapport aux photodétecteurs infrarouge sous- acents.
[0048] À titre d'exemple, les photodétecteurs visible sont décalés latéralement d'un demi pas de matrice par rapport aux photodétecteurs infrarouge. Dans ce cas, les microlentilles 113 sont décalées latéralement d'un demi pas par rapport aux filtres de couleur 111.
[0049] Le substrat semiconducteur 101 peut en outre comprendre des circuits de lecture des photodétecteurs infrarouge et visible. Les circuits de lecture sont par exemple réalisés en technologie CMOS (de l'anglais
"Complementary Metal Oxide Semiconductor" - Métal oxyde semiconducteur complémentaire) . L'empilement d'interconnexion 103 revêtant la face supérieure du substrat 101 peut notamment comprendre des métallisations connectant électriquement au moins une électrode 105 de chaque photodétecteur visible aux circuits de lecture formés dans et sur le substrat 101.
[0050] La zone active de chaque photodétecteur visible correspond à la zone dans laquelle la majorité du rayonnement incident est absorbée et convertie en signal électrique par le photodétecteur et correspond sensiblement à la partie de la couche active située entre l'électrode inférieure 105 et l'électrode supérieure du photodétecteur, par exemple à l'aplomb de l'électrode 105.
[0051] Un avantage du mode de réalisation des figures IA et IB est que, du fait du décalage entre les photodétecteurs infrarouge et les photodétecteurs visible, les métallisations de l'empilement d'interconnexion 103 revêtant le substrat semiconducteur 101, et en particulier les métallisations d' interconnexion permettant de connecter électriquement les électrodes 105 des photodétecteurs organiques visible aux circuits de lecture formés dans et sur le substrat 101, ne bloquent pas, ou seulement partiellement, les rayonnement transmis vers les photodétecteurs infrarouge.
[0052] La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation du capteur 100 des figures IA et IB.
[0053] Dans cette variante, des murs opaques 201, par exemple en métal, séparent latéralement les filtres couleur 111 les uns des autres pour éviter des phénomènes de diaphotie (cross talk optique) entre les différents sous-pixels visible.
[0054] La figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique une autre variante de réalisation du capteur 100 des figures IA et IB.
[0055] Dans cette variante, des murs opaques 301, par exemple en métal ou en résine, séparent latéralement les photodétecteurs organiques visible les uns des autres pour éviter des phénomènes de cross talk optique entre différents sous-pixels visible.
[0056] À titre d'exemple, des tranchées sont d'abord gravées à travers la couche active entre les photodétecteurs visible, puis un matériau de remplissage opaque, par exemple du métal, est déposé dans les tranchées pour former les murs opaques 301.
[0057] On notera que les variantes des figures 2 et 3 peuvent être combinées.
[0058] La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'un capteur 400 d'images couleur et infrarouge selon un deuxième mode de réalisation.
[0059] Le capteur 400 de la figure 4 diffère du capteur 100 des figures IA et IB principalement en ce que, dans le mode de réalisation de la figure 4, le capteur 400 comprend deux niveaux actifs organiques 401 et 403 superposés au-dessus du substrat semiconducteur 101. Les photodétecteurs infrarouge sont formés dans le premier niveau actif organique 401 en partant de la face supérieure du substrat semiconducteur 101, appelé niveau inférieur, et les photodétecteurs visible sont formés dans le deuxième niveau actif organique 403 en partant de la face supérieure du substrat semiconducteur 101, appelé niveau supérieur. À titre de variante, au moins l'un des niveaux actifs 401 et 403 est à base de boîtes quantiques ou de pérovskites.
[0060] Une couche diélectrique 405 sépare les deux niveaux actifs organiques 401 et 403. À titre d'exemple, chaque niveau actif organique 401, 403 présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 2 pm, de préférence entre 400 nm et 600 nm ou entre 600 nm et 1 200 nm, et la couche diélectrique 405 présente une épaisseur inférieure à 3 pm, de préférence inférieure à 1 pm. La couche diélectrique 405 est par exemple une couche de résine . À titre de variante , la couche diélectrique 405 est en nitrure de silicium ou en oxyde de silicium .
[ 0061 ] Dans cet exemple , le substrat semiconducteur inférieur 101 ne comprend pas de photodétecteurs , mais uniquement des circuits de lecture des photodétecteurs visible et infrarouge Des vias 407 conducteurs , par exemple métalliques , relient les électrodes inférieures 105 des photodétecteurs visible aux circuits de lecture formés dans et sur le substrat semiconducteur 101 .
[ 0062 ] À titre d' exemple , le niveau acti f organique inférieur 401 est d' abord déposé sur la face supérieure de l ' empilement d' interconnexion 103 . Des premières ouvertures sont ensuite réalisées dans le niveau 401 aux emplacements souhaités des vias 407 . Puis , la couche diélectrique 405 est déposée sur le niveau organique inférieur 401 . Au cours de cette étape , la couche diélectrique 405 comble les premières ouvertures préalablement formées dans le niveau 401 . Des deuxièmes ouvertures , par exemple alignées par rapport aux premières ouvertures , sont alors réalisées dans la couche diélectrique 403 . Les deuxièmes ouvertures traversent la couche diélectrique 405 et le niveau organique inférieur 401 et exposent des parties de la face supérieure de l ' empilement d' interconnexion 103 . Les deuxièmes ouvertures présentent par exemple , en vue de dessus , des dimensions latérales inférieures à celles des premières ouvertures de sorte que les flancs des deuxièmes ouvertures soient revêtus de portions (non détaillées sur la figure ) de la couche diélectrique 405 . Chaque deuxième ouverture est alors comblée par un dépôt métallique pour achever la réalisation des vias 407 . La partie métallique de chaque via 407 est isolée électriquement du niveau organique inférieur 401 par les portions de la couche diélectrique 405 revêtant les flancs des deuxièmes ouvertures [0063] Comme dans les exemples précédents, les photodétecteurs visible sont décalés latéralement par rapport aux photodétecteurs infrarouge. De plus, les microlentilles 113 sont décalées latéralement par rapport aux filtres de couleur 111.
[0064] Ceci permet notamment de limiter l'occultation des photodétecteurs infrarouge par les métallisations reliant les photodétecteurs visible à l'empilement d'interconnexion 103 revêtant le substrat inférieur 101.
[0065] Dans le mode de réalisation de la figure 4, chaque microlentille 113 est une microlentille convergente adaptée à focaliser la lumière incidente sur ou dans la région active du photodétecteur infrarouge sous-jacent. À titre d'exemple, le cône 115 de focalisation de la lumière transmise par chaque microlentille 113 affleure les métallisations reliant les photodétecteurs visible sus-jacents à l'empilement d'interconnexion 103. La lumière peut en outre, ou alternativement, être focalisée selon le cône 117 en un point de l'empilement d'interconnexion 103 situé approximativement à l'aplomb du centre de la microlentille 113 sus-jacente.
[0066] On notera que les variantes des figures 2 et 3 peuvent être adaptées au mode de réalisation de la figure 4.
[0067] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier.
[0068] Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS Capteur (100 ; 400) d'images couleur et infrarouge comprenant :
- un premier niveau dans lequel sont formés des photodétecteurs infrarouge ;
- un deuxième niveau, situé au-dessus du premier niveau, dans lequel sont formés des photodétecteurs visible ; et
- une couche de microlentilles (113) comprenant, pour chaque photodétecteur infrarouge, une microlentille spécifique disposée de sorte à focaliser les rayons incidents sur le photodétecteur infrarouge, dans lequel les photodétecteurs visible sont décalés latéralement par rapport aux photodétecteurs infrarouge. Capteur (100 ; 400) selon la revendication 1, comprenant, entre le deuxième niveau et la couche de microlentilles (113) , une couche de filtres de couleur (111) comprenant un filtre de couleur spécifique en vis-à-vis de chaque photodétecteur visible. Capteur (100 ; 400) selon la revendication 1, dans lequel les filtres de couleur (111) sont séparés latéralement les uns des autres par des murs opaques (201) . Capteur (100 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les microlentilles (113) sont décalées latéralement par rapport aux filtres de couleur . Capteur (100 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les photodétecteurs visible sont agencés en une première matrice, et les photodétecteurs infrarouge sont agencés en une deuxième matrice de même résolution et de même pas que la première matrice . Capteur (100 ; 400) selon la revendication 5, dans lequel, en vue de dessus, la distance centre à centre entre deux photodétecteurs visible et infrarouge voisins quelconques est sensiblement égale à la moitié du pas des première et deuxième matrices. Capteur (100 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un substrat (101) semiconducteur inorganique, par exemple en silicium monocristallin, dans et sur lequel sont formés des circuits de lecture des photodétecteurs visible et infrarouge . Capteur (100) selon la revendication 7, dans lequel les photodétecteurs infrarouge sont des photodétecteurs inorganiques formés dans ledit substrat semiconducteur (101) , et les photodétecteurs visible sont des photodétecteurs organiques. Capteur (400) selon la revendication 7, dans lequel les photodétecteurs infrarouge sont des photodétecteurs organiques formés au-dessus du substrat semiconducteur (101) , et les photodétecteurs visible sont des photodétecteurs organiques. Capteur (100 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque photodétecteur visible présente une région active séparée de zones actives des autres photodétecteurs par un mur opaque (301) .
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