CAPTEUR D’IMAGES COULEUR ET INFRAROUGE

La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR19/02158 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

[0004] On appelle phase d’intégration d’un pixel la phase pendant laquelle le pixel collecte des charges sous l’action d’un rayonnement incident. La phase d’intégration est généralement suivie d’une phase de lecture pendant laquelle une mesure de la quantité de charges collectées par le pixel est réalisée. [0005] Plusieurs contraintes sont à prendre en compte pour la conception d'un capteur d'images couleur et infrarouge. Premièrement, la résolution des images couleur acquises ne doit pas être inférieure à celle obtenue avec un capteur d'images couleur classique.

[0006] Deuxièmement, pour certaines applications, il peut être souhaitable que le capteur d'images soit du type à obturateur global, également appelé Global Shutter, c'est-à- dire mettant en oeuvre un procédé d'acquisition d'images dans lequel les débuts et fins des phases d'intégration des pixels sont simultanés. Ceci peut être le cas notamment pour l'acquisition d'une image infrarouge d'un objet sur lequel est projeté un motif infrarouge structuré.

[0007] Troisièmement, il est souhaitable que la taille des pixels du capteur d'images soit la plus petite possible. Quatrièmement, il est souhaitable que le facteur de remplissage de chaque pixel, qui correspond au rapport entre la surface, en vue de dessus, de la zone du pixel participant de façon active à la captation du rayonnement incident et la surface totale, en vue de dessus, du pixel, soit le plus grand possible .

[0008] Il peut être difficile de concevoir un capteur d'images couleur et infrarouge qui satisfasse à l'ensemble des contraintes décrites précédemment.

Résumé de 1 ' invention

[0009] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs d' images couleur et infrarouge décrits précédemment.

[0010] Selon un mode de réalisation, la résolution des images couleur acquises par le capteur d'images couleur et infrarouge est supérieure à 2560 ppi, de préférence supérieure à 8530 ppi [0011] Selon un mode de réalisation, le procédé d'acquisition d'une image infrarouge est du type Global Shutter.

[0012] Selon un mode de réalisation, la taille des pixels du capteur d'images couleur et infrarouge est inférieure à 10 ym, de préférence inférieure à 3 ym.

[0013] Selon un mode de réalisation, le facteur de remplissage de chaque pixel du capteur d'images couleur et infrarouge est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 80 %.

[0014] Un mode de réalisation prévoit un capteur d'images couleur et infrarouge comprenant un substrat en silicium, des transistors MOS formés dans le substrat et sur le substrat, des premières photodiodes formées au moins en partie dans le substrat, des blocs photosensibles disjoints recouvrant le substrat et des filtres de couleur recouvrant le substrat, le capteur d'images comprenant en outre des premières et deuxièmes électrodes de part et d'autre de chaque bloc photosensible et délimitant une deuxième photodiode dans chaque bloc photosensible, les premières photodiodes étant configurées pour absorber les ondes électromagnétiques du spectre visible et chaque bloc photosensible étant configuré pour absorber les ondes électromagnétiques du spectre visible et d'une première partie du spectre infrarouge.

[0015] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend en outre un filtre infrarouge, les filtres de couleur étant interposés entre le substrat et le filtre infrarouge, le filtre infrarouge étant configuré pour laisser passer les ondes électromagnétiques du spectre visible, pour laisser passer les ondes électromagnétiques de ladite première partie du spectre infrarouge et pour bloquer les ondes électromagnétiques d'au moins une deuxième partie du spectre infrarouge entre le spectre visible et la première partie du spectre infrarouge. [0016] Selon un mode de réalisation, les blocs photosensibles et les filtres de couleur sont à la même distance du substrat.

[0017] Selon un mode de réalisation, les blocs photosensibles sont plus proches du substrat que les filtres de couleur.

[0018] Selon un mode de réalisation, chaque bloc photosensible est recouvert d'un filtre de lumière visible en matériaux organiques.

[0019] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend en outre une matrice de lentilles interposée entre le substrat et le filtre infrarouge.

[0020] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend en outre, pour chaque pixel de l'image couleur à acquérir, au moins des premier, deuxième et troisième sous- pixels comprenant chacun l'une des premières photodiodes et l'un des filtres de couleur, les filtres de couleur des premier, deuxième et troisième sous-pixels laissant passer les ondes électromagnétiques dans des plages de fréquences différentes du spectre visible, et un quatrième sous-pixel comprenant l'une des deuxièmes photodiodes.

[0021] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend en outre, pour chaque premier, deuxième et troisième sous-pixel, un premier circuit de lecture relié à la première photodiode et, pour le quatrième sous-pixel, un deuxième circuit de lecture relié à la deuxième photodiode.

[0022] Selon un mode de réalisation, pour chaque pixel de l'image couleur à acquérir, les premiers circuits de lecture sont configurés pour transférer des premières charges électriques générées dans les premières photodiodes vers une première piste conductrice électriquement et le deuxième circuit de lecture est configuré pour transférer des deuxièmes charges générées dans la deuxième photodiode vers la première piste conductrice électriquement ou une deuxième piste conductrice électriquement.

[0023] Selon un mode de réalisation, les premières photodiodes sont agencées en rangées et en colonnes et les premiers circuits de lecture sont configurés pour commander la génération des premières charges pendant des premiers intervalles de temps simultanés pour toutes les premières photodiodes du capteur d'images, ou décalés dans le temps d'une rangée de premières photodiodes à l'autre, ou, pour chaque pixel de l'image couleur à acquérir, décalés dans le temps pour les premier, deuxième et troisième sous-pixels.

[0024] Selon un mode de réalisation, les deuxièmes photodiodes sont agencées en rangées et en colonnes et les deuxièmes circuits de lecture sont configurés pour commander la génération des deuxièmes charges pendant des deuxièmes intervalles de temps simultanés pour toutes les deuxièmes photodiodes du capteur d'images.

[0025] Selon un mode de réalisation, la couche photosensible est en matériaux organiques.

Brève description des dessins

[0026] 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 limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

[0027] la figure 1 est une vue en perspective éclatée, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un capteur d' images couleur et infrarouge ;

[0028] la figure 2 est une vue en coupe, partielle et schématique, du capteur d'images de la figure 1 ;

[0029] la figure 3 est une vue en perspective éclatée, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'un capteur d' images couleur et infrarouge ; [0030] la figure 4 est une vue en coupe, partielle et schématique, du capteur d'images de la figure 3 ;

[0031] la figure 5 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit de lecture d'un sous-pixel du capteur d'images de la figure 1 ; et

[0032] la figure 6 est un chronogramme de signaux d'un mode de réalisation d'un procédé de fonctionnement du capteur d'images ayant le circuit de lecture de la figure 5.

Description des modes de réalisation

[0033] 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. Par souci de clarté, seuls les 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.

[0034] 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 ou à un capteur d'images dans une position normale d'utilisation. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. [0035] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. De plus, on appelle "signal binaire" un signal qui alterne entre un premier état constant, par exemple un état bas, noté "0", et un deuxième état constant, par exemple un état haut, noté "1". Les états haut et bas de signaux binaires différents d'un même circuit électronique peuvent être différents. En pratique, les signaux binaires peuvent correspondre à des tensions ou à des courants qui peuvent ne pas être parfaitement constants à l'état haut ou bas. En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement".

[0036] La transmittance d'une couche correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans 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 %. Dans la suite de la description, l'indice de réfraction d'un matériau correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d'images. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de 1 ' indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement capté par le capteur d ' images .

[0037] Dans la suite de la description, on appelle lumière visible un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 400 nm et 700 nm et on appelle rayonnement infrarouge un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1 mm. Dans le rayonnement infrarouge, on distingue notamment le rayonnement infrarouge proche dont la longueur d'onde est comprise entre 700 nm et 1,4 ym.

[0038] 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 notamment au moins un photodétecteur .

[0039] La figure 1 est une vue éclatée en perspective, partielle et schématique, et la figure 2 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un capteur d'images couleur et infrarouge 1. Le capteur d'images 1 comprend une matrice de premiers capteurs de photons 2, également appelés photodétecteurs, adaptés à capter une image infrarouge, et une matrice de deuxièmes photodétecteurs 4, adaptés à capter une image couleur. Les matrices de photodétecteurs 2 et 4 sont associées à une matrice de circuits de lecture 6 réalisant la mesure des signaux captés par les photodétecteurs 2 et 4. Par circuit de lecture, on entend un ensemble de transistors de lecture, d'adressage et de commande du pixel ou sous-pixel défini par les photodétecteurs 2 et 4 correspondants.

[0040] Pour chaque pixel de l'image couleur et de l'image infrarouge à acquérir, on appelle sous-pixel couleur RGB-SPix du capteur d'images 1 la partie du capteur d'images 1 comprenant le photodétecteur couleur 4 permettant l'acquisition du rayonnement lumineux dans une partie restreinte du rayonnement visible de l'image et on appelle pixel infrarouge IR-Pix la partie du capteur d'images 1 comprenant le photodétecteur infrarouge 2 permettant l'acquisition du rayonnement infrarouge du pixel de l'image infrarouge .

[0041] On a représenté sur les figures 1 et 2 trois sous- pixels couleur RGB-SPix et un pixel infrarouge IR-Pix associés à un pixel des images couleur et infrarouge. Dans le présent mode de réalisation, l'image couleur et l'image infrarouge acquise ont la même résolution de sorte que le pixel infrarouge IR-Pix peut également être considéré comme un autre sous-pixel du pixel de l'image couleur acquise. A des fins de clarté, seuls certains éléments du capteur d'images présents en figure 2 sont représentés en figure 1. Le capteur d'images 1 comprend de bas en haut en figure 2 :

un substrat 10 semiconducteur comprenant une face supérieure 12, de préférence plane ;

pour chaque sous-pixel couleur RGB-SPix, au moins une région semiconductrice dopée 14 formée dans le substrat 10 et faisant partie de la photodiode couleur 4 ;

des composants électroniques 16 des circuits de lecture 6 situés dans le substrat 10 et/ou sur la face 12, un seul composant 16 étant représenté en figure 2 ; un empilement 18 de couches isolantes recouvrant la face 12, des pistes conductrices 20 étant situées sur l'empilement 18 et entre les couches isolantes de l'empilement 18 ; pour chaque pixel infrarouge IR-Pix, une électrode 22 reposant sur l'empilement 18 et reliée au substrat 10, à l'un des composants 16 ou à l'une des pistes conductrices 20 par un via conducteur 24 ; pour chaque pixel infrarouge IR-Pix, une couche active 26 recouvrant l'électrode 22 et recouvrant éventuellement l'empilement 18 autour de l'électrode 22, la couche active 26 ne s'étendant, en vue de dessus, que sur la surface du pixel infrarouge IR-Pix et ne s'étendant pas sur les surfaces des sous-pixels couleur RGB-SPix ; pour tous les sous-pixels couleur RGB-SPix, une couche isolante 27 recouvrant l'empilement 18 ; pour chaque pixel infrarouge IR-Pix, une électrode 28 recouvrant la couche active 26 et éventuellement la couche isolante 27, reliée au substrat 10, à l'un des composants 16 ou à l'une des pistes conductrices 20 par un via conducteur 30 ; une couche isolante 32 recouvrant les électrodes 28 ; pour chaque sous-pixel couleur RGB-SPix, un filtre de couleur 34 recouvrant la couche isolante 32, et, pour le pixel infrarouge IR-Pix, un bloc 36 transparent aux rayonnements infrarouges recouvrant la couche isolante 32 ; pour chaque sous-pixel couleur RGB-SPix et pour le pixel infrarouge IR-Pix, une microlentille 38 recouvrant le filtre de couleur 34 ou le bloc transparent 36 ; une couche isolante 40 recouvrant les microlentilles 38 ; et un filtre 42 recouvrant la couche isolante 40. [0042] Les sous-pixels couleur RGB-SPix et les pixels infrarouges IR-Pix peuvent être répartis en rangées et en colonnes. Dans le présent mode de réalisation, chaque sous- pixel couleur RGB-SPix et chaque pixel infrarouge IR-Pix a, dans une direction perpendiculaire à la face 12, une base carrée ou rectangulaire de côté variant de 0,1 ym à 100 ym, par exemple égal à environ 3 ym. Toutefois, chaque sous-pixel SPix peut avoir une base de forme différente, par exemple hexagonale .

[0043] Dans le présent mode de réalisation, la couche active 26 est présente seulement au niveau des pixels infrarouges IR-Pix du capteur d'images 1. La zone active de chaque photodétecteur infrarouge 2 correspond à la zone dans laquelle la majorité du rayonnement infrarouge utile incident est absorbée et convertie en signal électrique par le photodétecteur infrarouge 2 et correspond sensiblement à la partie de la couche active 26 située entre l'électrode inférieure 22 et l'électrode supérieure 28.

[0044] Selon un mode de réalisation, la couche active 26 est adaptée à capter un rayonnement électromagnétique dans une plage de longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 1100 nm. Les photodétecteurs infrarouges 2 peuvent être réalisés en matériaux organiques. Les photodétecteurs peuvent correspondre à des photodiodes organiques (OPD, de l'anglais Organic Photodiode) ou à des photorésistances organiques. Dans la suite de la description, on considère que les photodétecteurs 2 correspondent à des photodiodes.

[0045] Le filtre 42 est adapté à laisser passer la lumière visible, à laisser passer une partie du rayonnement infrarouge sur la plage de longueurs d'onde infrarouges d'intérêt pour l'acquisition de l'image infrarouge et à bloquer le reste du rayonnement incident et notamment le reste du rayonnement infrarouge en dehors de la plage de longueurs d'onde infrarouges d'intérêt. Selon un mode de réalisation, la plage de longueurs d'onde infrarouges d'intérêt peut correspondre à une plage de 50 nm centrée sur la longueur d'onde attendue du rayonnement infrarouge, par exemple centrée sur la longueur d'onde de 940 nm ou centrée sur la longueur d'onde de 850 nm. Le filtre 42 peut être un filtre interférentiel et/ou comprendre des couches absorbantes et/ou réfléchissantes.

[0046] Les filtres de couleur 34 peuvent correspondre à des blocs de résine colorée. Chaque filtre de couleur 34 est adapté 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 peut comprendre un sous-pixel couleur RGB-SPix dont le filtre de couleur 34 est adapté à ne laisser passer que la lumière bleue, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 430 nm à 490 nm, un sous-pixel couleur RGB-SPix dont le filtre de couleur 34 est adapté à ne laisser passer que la lumière verte, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 510 nm à 570 nm et un sous-pixel couleur RGB-SPix dont le filtre de couleur 34 est adapté à ne laisser passer que la lumière rouge, par exemple dans la plage de longueurs d'onde de 600 nm à 720 nm. Le bloc transparent 36 est adapté à laisser passer le rayonnement infrarouge et à laisser passer la lumière visible. Le bloc transparent 36 peut alors correspondre à un bloc de résine transparente. A titre de variante, le bloc transparent 36 est adapté à laisser passer le rayonnement infrarouge et à bloquer la lumière visible. Le bloc transparent 36 peut alors correspondre à un bloc de résine noire ou à une couche active, ayant par exemple une structure analogue à celle de la couche active 26 et adaptée à absorber seulement le rayonnement dans le spectre visé .

[0047] Comme le filtre 42 ne laisse passer que la partie utile du proche infrarouge, la couche active 26 ne reçoit que la partie du rayonnement infrarouge utile dans le cas où le bloc transparent 36 est adapté à laisser passer le rayonnement infrarouge et à bloquer la lumière visible. Ceci permet de façon avantageuse de faciliter la conception de la couche active 26 dont la plage d'absorption peut être étendue et comprendre notamment la lumière visible. Dans le cas où le bloc transparent 36 est adapté à laisser passer le rayonnement infrarouge et la lumière visible, la couche active 26 de la photodiode infrarouge 2 va capter à la fois le rayonnement infrarouge et la lumière visible. La détermination d'un signal représentatif seulement du rayonnement infrarouge capté par la photodiode infrarouge 2 peut alors être effectuée par combinaison linéaire du signal fourni par la photodiode infrarouge 2 et des photodiodes couleur 4 du pixel.

[0048] Selon un mode de réalisation, le substrat 10 semiconducteur est en silicium, de préférence en silicium monocristallin. Selon un mode de réalisation, les composants électroniques 16 comprennent des transistors, notamment des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde, également appelés transistors MOS. Les photodiodes couleur 4 sont des photodiodes inorganiques, de préférence en silicium. Chaque photodiode couleur 4 comprend au moins la région de silicium dopée 14 qui s'étend dans le substrat 10 depuis la face 12. Selon un mode de réalisation, le substrat 10 est non dopé ou faiblement dopé d'un premier type de conductivité, par exemple de type P et chaque région 14 est une région dopée, du type de conductivité opposé au substrat 10, par exemple de type N. La profondeur de chaque région 14, mesurée depuis la face 12, peut être comprise entre 500 nm et 6 ym. La photodiode couleur 4 peut correspondre à une photodiode pincée. Des exemples de photodiodes pincées sont décrits notamment dans le brevet US 6 677 656. [0049] Les pistes conductrices 20, les vias conducteurs 24, 30 et les électrodes 22 peuvent être en un matériau métallique, par exemple l'argent (Ag) , l'aluminium (Al), l'or (Au), le cuivre (Cu) , le nickel (Ni) , le titane (Ti) et le chrome (Cr) . Les pistes conductrices 20, les vias conducteurs 24, 30 et les électrodes 22 peuvent avoir une structure monocouche ou multicouche. Chaque couche isolante de l'empilement 18 peut être en un matériau inorganique, par exemple en oxyde de silicium (SiCy) ou un nitrure de silicium (SiN) .

[0050] Chaque électrode 28 est au moins partiellement transparente au rayonnement lumineux qu'elle reçoit. Chaque électrode 28 peut être en un matériau conducteur et transparent, par exemple en oxyde conducteur et transparent ou TCO (acronyme anglais pour Transparent Conductive Oxide) , en nanotubes de carbone, en graphène, en un polymère conducteur, en un métal, ou en un mélange ou un alliage d'au moins deux de ces composés. Chaque électrode 28 peut avoir une structure monocouche ou multicouche.

[0051] Des exemples de TCO adaptés à la réalisation de chaque électrode 28 sont l'oxyde d'indium-étain (ITO, de l'anglais Indium Tin Oxide), l'oxyde d'aluminium-zinc (AZO, de l'anglais Aluminium Zinc Oxide), l'oxyde de gallium-zinc (GZO, de l'anglais Gallium Zinc Oxide), le nitrure de titane (TiN) , l'oxyde de molybdène (M0O ₃₎ et l'oxyde de tungstène (WO ₃ ) . Un exemple de polymère conducteur adapté à la réalisation de chaque électrode 28 est le polymère connu sous la dénomination PEDOT:PSS, qui est un mélange de poly ( 3 , 4 ) -éthylène- dioxythiophène et de polystyrène sulfonate de sodium et la polyaniline, également appelé PAni. Des exemples de métaux adaptés à la réalisation de chaque électrode 28 sont l'argent, l'aluminium, l'or, le cuivre, le nickel, le titane et le chrome. Un exemple de structure multicouche adaptée à la réalisation de chaque électrode 28 est une structure multicouche d'AZO et d'argent de type AZO/Ag/AZO.

[0052] L'épaisseur de chaque électrode 28 peut être comprise entre 10 nm et 5 ym, par exemple de l'ordre de 30 nm. Dans le cas où l'électrode 28 est métallique, l'épaisseur de l'électrode 28 est inférieure ou égale à 20 nm, de préférence inférieure ou égale à 10 nm.

[0053] Chaque couche isolante 27, 32, 40 peut être réalisée en polymère fluoré, notamment le polymère fluoré commercialisé sous l'appellation Cytop par la société Bellex, en polyvinylpyrrolidone (PVP) , en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) , en polystyrène (PS), en parylène, en polyimide (PI), en acrylonitrile butadiène styrène (ABS) , en poly (téréphtalate d'éthylène) (PET, sigle anglais polyethylene terephthalate) , en poly (naphtalate d'éthylène) (PEN, sigle anglais pour polyethylene naphthalate) , en polymères d'oléfine cyclique (COP, sigle anglais pour Cyclo Olefin Polymer), en polydiméthylsiloxane (PDMS) , en une résine de photolithographie, en résine époxy, en résine acrylate ou en un mélange d'au moins deux de ces composés. A titre de variante, chaque couche isolante 27, 32, 40 peut être réalisée en un diélectrique inorganique, notamment en nitrure de silicium, en oxyde de silicium ou en oxyde d'aluminium (AI ₂ O ₃₎ . L'oxyde d'aluminium peut être déposé par dépôt de couches minces atomiques (ALD, sigle anglais pour Atomic Layer Déposition). L'épaisseur maximale de chaque couche isolante 27, 32, 40 peut être comprise entre 50 nm et 2 ym, par exemple de l'ordre de 100 nm.

[0054] La couche active 26 de chaque pixel infrarouge IR-Pix peut comprendre des petites molécules, des oligomères ou des polymères. Il peut s'agir de matériaux organiques ou inorganiques, notamment des boîtes quantiques. La couche active 26 peut comprendre un matériau semiconducteur ambipolaire, ou un mélange d'un matériau semiconducteur de type N et d'un matériau semiconducteur de type P, par exemple sous forme de couches superposées ou d'un mélange intime à l'échelle nanométrique de façon à former une hétéroj onction en volume. L'épaisseur de la couche active 26 peut être comprise entre 50 nm et 2 ym, par exemple de l'ordre de 200 nm

[0055] Des exemples de polymères semiconducteurs de type P adaptés à la réalisation de la couche active 26 sont le poly (3-hexylthiophène) (P3HT) , le poly [N-9' -heptadécanyl- 2, 7-carbazole-alt-5, 5- (4, 7-di-2-thiényl-2' , l' , 3' - benzothiadiazole) ] (PCDTBT) , le poly [ (4, 8-bis- (2- éthylhexyloxy) -benzo [ 1 , 2-b; 4 , 5-b ' ] dithiophène) -2 , 6-diyl- alt- (4- (2-éthylhexanoyl) -thieno [3, 4-b] thiophène) ) -2, 6-diyl] (PBDTTT-C) , le poly [ 2-méthoxy-5- (2-éthyl-hexyloxy) -1 , 4- phénylène-vinylène ] (MEH-PPV) ou le poly [2, 6- (4, 4-bis- (2- éthylhexyl) -4H-cyclopenta [2, 1-b; 3, 4-b' ] dithiophène) -alt-

4,7 (2,1, 3-benzothiadiazole) ] (PCPDTBT) .

[0056] Des exemples de matériaux semiconducteurs de type N adaptés à la réalisation de la couche active 26 sont les fullerènes, notamment le C60, le [ 6, 6] -phényl-C _6i -butanoate de méthyle ([60]PCBM), le [ 6, 6] -phényl-C _7i -butanoate de méthyle ([70]PCBM), le pérylène diimide, l'oxyde de zinc (ZnO) ou des nanocristaux permettant la formation de boîtes quantiques (en anglais quantum dots) .

[0057] La couche active 26 de chaque pixel infrarouge IR-Pix peut être interposée entre des première et deuxième couches d'interface, non représentées. Suivant le mode de polarisation de la photodiode, les couches d'interface facilitent la collection, l'injection ou le blocage des charges depuis les électrodes dans la couche active 26. L'épaisseur de chaque couche d'interface est de préférence comprise entre 0,1 nm et 1 ym. La première couche d'interface permet d'aligner le travail de sortie de l'électrode adjacente avec l'affinité électronique du matériau accepteur utilisé dans la couche active 26. La première couche d'interface peut être réalisée en carbonate de césium (CSCO3) , en oxyde métallique, notamment en oxyde de zinc (ZnO) , ou en un mélange d'au moins deux de ces composés. La première couche d'interface peut comprendre une couche monomoléculaire auto assemblée ou un polymère, par exemple du polyéthyléneimine, polyéthyléneimine éthoxylé, poly [ (9, 9-bis (3 ' - (N,N- dimethylamino) propyl) -2, 7-fluorene) -alt-2, 7- (9, 9- dioctylfluorene) ] . La deuxième couche d'interface permet d'aligner le travail de sortie de l'autre électrode avec le potentiel d'ionisation du matériau donneur utilisé dans la couche active 26. La deuxième couche d'interface peut être réalisée en oxyde de cuivre (CuO) , en oxyde de nickel (NiO) , en oxyde de vanadium (V ₂ O ₅ ) , en oxyde de magnésium (MgO) , en oxyde de tungstène (WO ₃ ) , en oxyde de molybdène (M0O3) , en PEDOT:PSS ou en un mélange d'au moins deux de ces composés.

[0058] Les microlentilles 38 sont de taille micrométrique.

Dans le présent mode de réalisation, chaque sous-pixel couleur RGB-SPix et chaque pixel infrarouge IR-Pix comprend une microlentille 38. A titre de variante, chaque microlentille 38 peut être remplacée par un autre type d'élément optique de taille micrométrique, notamment une lentille de Fresnel de taille micrométrique, une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou un réseau de diffraction de taille micrométrique. Les microlentilles 38 sont des lentilles convergentes ayant chacune une distance focale f comprise entre 1 ym et 100 ym, de préférence entre 1 ym et 10 ym. Selon un mode de réalisation, toutes les microlentilles 38 sont sensiblement identiques.

[0059] Les microlentilles 38 peuvent être réalisées en silice, en PMMA, en une résine photosensible positive, en PET, en PEN, en COP, en PDMS/silicone, ou en résine époxy. Les microlentilles 38 peuvent être formées par fluage de blocs d'une résine photosensible. Les microlentilles 38 peuvent en outre être formées par moulage sur une couche de PET, PEN, COP, PDMS/silicone ou résine époxy.

[0060] Selon un mode de réalisation, la couche 40 est une couche qui épouse la forme des microlentilles 38. La couche 40 peut être obtenue à partir d'un adhésif optiquement transparent (OCA, sigle anglais pour Optically Clear Adhesive) , notamment un adhésif optiquement transparent liquide (LOCA, sigle anglais pour Liquid Optically Clear Adhesive) , ou un matériau à bas indice de réfraction, ou une colle époxy/acrylate, ou un film d'un gaz ou d'un mélange gazeux, par exemple de l'air. De préférence, lorsque la couche 40 épouse la forme des microlentilles 38, la couche 40 est en un matériau ayant un bas indice de réfraction, inférieur à celui du matériau des microlentilles 38. La couche 40 peut être en un matériau de remplissage qui est un matériau transparent non adhésif. Selon un autre mode de réalisation, la couche 40 correspond à un film qui est appliqué contre la matrice de microlentilles 38, par exemple un film OCA. Dans ce cas, la zone de contact entre la couche 40 et les microlentilles 38 peut être réduite, par exemple limitée aux sommets des microlentilles. La couche 40 peut être alors composée d'un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé que dans le cas où la couche 40 épouse les microlentilles 38. Selon un autre mode de réalisation, la couche 40 correspond à un film OCA qui est appliqué contre la matrice de microlentilles 38, l'adhésif ayant des propriétés qui permettent au film 40 d'épouser complètement ou sensiblement complètement la surface des microlentilles.

[0061] Selon les matériaux considérés, le procédé de formation d'au moins certaines couches du capteur d'images 1 peut correspondre à un procédé dit additif, par exemple par impression directe du matériau composant les couches organiques aux emplacements souhaités notamment sous forme de sol-gel, par exemple par impression par jet d'encre, héliographie, sérigraphie, flexographie, revêtement par pulvérisation (en anglais spray coating) ou dépôt de gouttes (en anglais drop-casting) . Selon les matériaux considérés, le procédé de formation des couches du capteur d'images 1 peut correspondre à un procédé dit soustractif, dans lequel le matériau composant les couches organiques est déposé sur la totalité de la structure et dans lequel les portions non utilisées sont ensuite retirées, par exemple par photolithographie ou ablation laser. Il peut s'agir notamment de procédés du type dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (en anglais slot-die coating) , revêtement à la lame (en anglais blade-coating) , flexographie ou sérigraphie. Lorsque les couches sont métalliques, le métal est, par exemple, déposé par évaporation ou par pulvérisation cathodique sur l'ensemble du support et les couches métalliques sont délimitées par gravure.

[0062] De façon avantageuse, au moins certaines des couches du capteur d'images 1 peuvent être réalisées par des techniques d'impression. Les matériaux de ces couches décrites précédemment peuvent être déposés sous forme liquide, par exemple sous forme d'encres conductrices et semiconductrices à l'aide d'imprimantes à jet d'encre. Par matériaux sous forme liquide, on entend ici également des matériaux en gel déposables par des techniques d'impression. Des étapes de recuit sont éventuellement prévues entre les dépôts des différentes couches, mais les températures de recuit peuvent ne pas dépasser 150°C, et le dépôt et les éventuels recuits peuvent être réalisés à la pression atmosphérique . [0063] Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, pour chaque pixel d'images couleur et infrarouge, l'électrode 28 peut s'étendre sur tous les sous-pixels couleur RGB-SPix et sur le pixel infrarouge IR-Pix et le via 30 est prévu dans des zones ne correspondant pas à des sous-pixels, par exemple à la périphérie du pixel. En outre, l'électrode 28 peut être commune à l'ensemble des pixels d'une même ligne et/ou à l'ensemble des pixels du capteur d'images. Dans ce cas, le via 30 peut être prévu à la périphérie du capteur d'images 1. Selon une autre variante, l'électrode 28 peut ne s'étendre que sur la couche active 26 et le via 30 peut être prévu au niveau du pixel infrarouge IR-Pix.

[0064] Les figures 3 et 4 sont des figures d'un autre mode de réalisation d'un capteur d'images 50 respectivement analogues aux figures 1 et 2 . Le capteur d'images 50 comprend tous les éléments du capteur d'images 1 représenté sur les figures 1 et 2 à la différence que la couche isolante 32 est interposée entre les microlentilles 38 et les filtres de couleur 34, que la couche active 26 est disposée à la place du bloc 36 qui n'est pas présent, c'est-à-dire au même niveau que les filtres de couleur 34, et que la couche isolante 27 n'est pas présente. En outre, l'électrode 28 ne s'étend que sur la couche active 26 et le via 30 est prévu au niveau du pixel infrarouge IR-Pix. Dans ce cas, la couche active 26 de la photodiode infrarouge 2 va capter à la fois le rayonnement infrarouge et la lumière visible. La détermination d'un signal représentatif seulement du rayonnement infrarouge capté par la photodiode infrarouge 2 peut alors être effectuée par combinaison linéaire du signal fourni par la photodiode infrarouge 2 et des photodiodes couleur 4 du pixel.

[0065] La figure 5 représente le schéma électrique simplifié d'un mode de réalisation des circuits de lecture 6_R, 6_G, 6_B, associés à la photodiode couleur 4 de sous-pixels couleur RGB-SPix de pixels de l'image couleur à acquérir et le circuit de lecture 6_IR associé à la photodiode infrarouge 2 du pixel infrarouge IR-Pix.

[0066] Les circuits de lecture 6_R, 6_G, 6_B et 6_IR ont des structures analogues. Dans la suite de la description, on ajoute le suffixe "_R" à la référence désignant un composant du circuit de lecture 6_R, le suffixe "_G" à la référence désignant le même composant du circuit de lecture 6_G, le suffixe "_B" à la référence désignant le même composant du circuit de lecture 6_B et le suffixe "_IR" à la référence désignant le même composant pour le circuit de lecture 6_IR.

[0067] Chaque circuit de lecture 6_R, 6_G, 6_B, 6_IR comporte un transistor MOS en montage suiveur 60_R, 60_G, 60_B, 60_IR, en série avec un transistor MOS de sélection 62_R, 62_G, 62_B, 62_IR entre une première borne 64_R, 64_G, 64_B, 64_IR et une deuxième borne 66_R, 66_G, 66_B, 66_IR. La borne 64_R, 64_G,

64_B, 64_IR est reliée à une source d'un potentiel de référence haut VDD dans le cas où les transistors composant le circuit de lecture sont des transistors MOS à canal N, ou d'un potentiel de référence bas, par exemple la masse, dans le cas où les transistors composant le circuit de lecture sont des transistors MOS à canal P. La borne 66_R, 66_G, 66_B, 66_IR est reliée à une piste conductrice 68. La piste conductrice 68 peut être reliée à tous les sous-pixels couleur et tous les pixels infrarouges d'une même colonne et être reliée à une source de courant 69 qui ne fait pas partie des circuits de lecture 6_R, 6_G, 6_B, 6_IR. La grille du transistor 62_R, 62_G, 62_B, 62_IR est destinée à recevoir un signal SEL_R, SEL_G, SEL_B, SEL_IR de sélection du sous-pixel couleur/pixel infrarouge. La grille du transistor 60_R, 60_G, 60_B et 60_IR est reliée à un noeud FD_R, FD_G, FD_B, FR_IR. Le noeud FD_R, FD_G, FD_B, FR_IR est relié, par un transistor MOS 70 R, 70 G, 70 B, 70 IR de réinitialisation, à une borne d'application d'un potentiel Vrst_R, Vrst_G, Vrst_B, Vrst_IR de réinitialisation, ce potentiel pouvant être VDD. La grille du transistor 70_R, 70_G, 70_B, 70_IR est destinée à recevoir un signal RST_R, RST_G, RST_B, RST_IR de commande en réinitialisation du sous-pixel couleur/pixel infrarouge, permettant notamment de réinitialiser le noeud FD sensiblement au potentiel Vrst.

[0068] Le noeud FD_R, FD_G, FD_B est relié à l'électrode de cathode de la photodiode couleur 4 du sous-pixel couleur. L'électrode d'anode de la photodiode couleur 4 est reliée à une source d'un potentiel de référence bas GND, par exemple la masse. Le noeud FD_IR est relié à l'électrode de cathode 22 de la photodiode infrarouge 2. L'électrode d'anode 28 de la photodiode infrarouge 4 est reliée à une source d'un potentiel de référence V_IR. Il peut être prévu un condensateur, non représenté, dont une électrode est reliée au noeud FD_R, FD_G, FD_B, FD_IR et dont l'autre électrode est reliée à la source du potentiel de référence bas GND. A titre de variante, le rôle de ce condensateur peut être rempli par les capacités parasites présentes au noeud FD_R, FD_G, FD_B, FD_IR .

[0069] Pour chaque rangée de sous-pixels couleur associés à la même couleur, les signaux SEL_R, SEL_G, SEL_B, RST_R, RST_G, RST_B peuvent être transmis à tous les sous-pixels couleur de la rangée. Pour chaque rangée de pixels infrarouges, les signaux SEL_IR, RST_IRB et le potentiel V_IR peuvent être transmis à tous les pixels infrarouges de la rangée. Les signaux Vrst_R, Vrst_G, Vrst_B, Vrst_IR peuvent être identiques ou différents. Selon un mode de réalisation, les signaux Vrst_R, Vrst_G, Vrst_B sont identiques et le signal Vrst_IR est différent des signaux Vrst_R, Vrst_G, Vrst_B.

[0070] La figure 6 est un chronogramme des signaux binaires RST IR, SEL IR, RST R, SEL R, RST G, SEL G, RST B, SEL B et du potentiel V_IR au cours d'un mode de réalisation d'un procédé de fonctionnement des circuits de lecture 6_R, 6_G,

6_B, 6_IR représentés en figure 5. On appelle tO à tlO des instants successifs d'un cycle de fonctionnement. Le chronogramme a été établi en considérant que les transistors MOS des circuits de lecture 6_R, 6_G, 6_B, 6_IR sont des transistors à canal N.

[0071] A l'instant tO, les signaux SEL_IR, SEL_R, SEL_G et SEL_B sont à l'état bas de sorte que les transistors de sélection 62_IR, 62_R, 62_G et 62_B sont bloqués. Le cycle comprend une phase de réinitialisation du pixel infrarouge et du sous-pixel couleur associé à la couleur rouge. Dans ce but, les signaux RST_IR et RST_R sont à l'état haut de sorte que les transistors de réinitialisation 70_IR et 70_R sont passants. Les charges accumulées dans la photodiode infrarouge 2 sont alors évacuées vers la source du potentiel Vrst_IR et les charges accumulées dans la photodiode couleur 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur rouge sont alors évacuées vers la source du potentiel Vrst_R.

[0072] Juste avant l'instant tl, le potentiel V_IR est mis à un niveau bas. A l'instant tl, qui marque le début d'un nouveau cycle, le signal RST_IR est mis à l'état bas de sorte que le transistor 70_IR est bloqué et le signal RST_R est mis à l'état bas de sorte que le transistor 70_R est bloqué. Une phase d'intégration débute alors pour la photodiode infrarouge 2 pendant laquelle des charges sont générées et collectées dans la photodiode 2 et pour la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur rouge pendant laquelle des charges sont générées et collectées dans la photodiode 4. A l'instant t2, le signal RST_G est mis à l'état bas de sorte que le transistor 70_G est bloqué. Une phase d'intégration débute alors pour la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur verte pendant laquelle des charges sont générées et collectées dans la photodiode 4. A l'instant t3, le signal RST_B est mis à l'état bas de sorte que le transistor 70_B est bloqué. Une phase d'intégration débute alors pour la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur bleue pendant laquelle des charges sont générées et collectées dans la photodiode 4.

[0073] A l'instant t4, le potentiel V_IR est mis à un niveau haut, ce qui stoppe la collecte de charges dans la photodiode infrarouge. La phase d'intégration de la photodiode infrarouge 2 s'arrête donc.

[0074] A l'instant t5, le signal SEL_R est mis temporairement à un état haut, de sorte que le potentiel de la piste conductrice 68 atteint une valeur représentative de la tension au noeud FD_R et donc de la quantité de charges stockées dans la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur rouge. La phase d'intégration de la photodiode 4 du sous- pixel couleur associé à la couleur rouge s'étend donc de l'instant tl à l'instant t5. A l'instant t6, le signal SEL_G est mis temporairement à un état haut, de sorte que le potentiel de la piste conductrice 68 atteint une valeur représentative de la tension au noeud FD_G et donc de la quantité de charges stockées dans la photodiode 4 du sous- pixel couleur associé à la couleur verte. La phase d'intégration de la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur verte s'étend donc de l'instant t2 à l'instant t6. A l'instant t7, le signal SEL_B est mis temporairement à un état haut, de sorte que le potentiel de la piste conductrice 68 atteint une valeur représentative de la tension au noeud FD_B et donc de la quantité de charges stockées dans la photodiode 4 du sous-pixel couleur associé à la couleur bleue. La phase d'intégration de la photodiode 4 du sous- pixel couleur associé à la couleur bleue s'étend donc de l'instant t3 à l'instant t7. A l'instant t8, le signal SEL_IR est mis temporairement à un état haut, de sorte que le potentiel de la piste conductrice 68 atteint une valeur représentative de la tension au noeud FD_IR et donc de la quantité de charges stockées dans la photodiode infrarouge 2. A l'instant t9, les signaux RST_IR et RST_R sont mis à l'état haut. L'instant tlO marque la fin du cycle et correspond à l'instant tl du cycle suivant.

[0075] Comme cela apparaît sur la figure 6, les phases d'intégration des photodiodes couleur des sous-pixels associées à un même pixel de l'image couleur à acquérir sont décalées dans le temps. Ceci permet de mettre en oeuvre un procédé de lecture du type à "obturateur déroulant" (en anglais Rolling Shutter) pour les photodiodes couleur dans lequel les phases d'intégration des lignes de pixels sont décalées dans le temps les unes par rapport aux autres. En outre, comme la phase d'intégration de la photodiode infrarouge 2 est commandée par le signal V-IR, le présent mode de réalisation permet de façon avantageuse de réaliser un procédé de lecture de type Global Shutter pour l'acquisition de l'image infrarouge, dans lequel les phases d'intégration de toutes les photodiodes infrarouges sont réalisées de façon simultanée.

[0076] Dans le cas où le capteur d'images a la structure représentée sur les figures 3 et 4 ou la structure représentée sur les figures 1 et 2 avec le bloc 36 qui ne bloque pas la lumière visible, la photodiode infrarouge 4 peut absorber le rayonnement dans le proche infrarouge et également la lumière visible. Dans ce cas, pour déterminer la quantité de charges générées pendant une phase d'intégration de la photodiode infrarouge dues seulement au rayonnement infrarouge, il peut être soustrait du signal fourni par la photodiode infrarouge 2, les signaux fournis par les photodiodes couleur 4 des sous- pixels associés au même pixel d'image. Toutefois, il est alors préférable que les phases d'intégration des sous-pixels couleur soient simultanées à la phase d'intégration de la photodiode infrarouge 2. Chaque circuit de lecture 6_R, 6_G, 6_B, 6_IR, représenté en figure 5, peut alors en outre comprendre un transistor MOS de transfert entre le noeud FD_R, FR_G, FD_B, FD_IR et l'électrode de cathode de la photodiode 4, 2. Le transistor de transfert permet de commander le début et la fin de la phase d'intégration des photodiodes couleur de sorte qu'un procédé de lecture de type Global Shutter pour l'acquisition de l'image couleur peut être mis en oeuvre.

[0077] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la structure de l'électrode 28 représentée en figure 2, qui recouvre les photodiodes 4, peut être mise en oeuvre pour le capteur d'images 50 représenté en figure 4. En outre, dans le cas où chaque circuit de lecture 6_R, 6_G, 6_B, 6_IR, représenté en figure 5, comprend en outre un transistor MOS de transfert entre le noeud FD_R, FR_G, FD_B, FD_IR et l'électrode de cathode de la photodiode 4, 2, il peut être prévu un procédé de lecture dans lequel une lecture d'une première valeur VI représentative du potentiel du noeud FD_R, FD_G, FD_B, FD_IR peut être réalisée juste après la fermeture du transistor de réinitialisation 70_R, 70_G, 70_B, 70_IR et une lecture d'une deuxième valeur V2 représentative du potentiel du noeud FD_R, FD_G, FD_B, FD_IR peut être réalisée juste après la fermeture du transistor de transfert. La différence entre les valeurs V2 et VI est représentative de la quantité de charges stockées dans la photodiode tout en supprimant le bruit thermique dû au transistor de réinitialisation 70_R, 70_G, 70_B, 70_IR.

Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.