De nouveaux capteurs optiques CMOS à haute vitesse

Les capteurs d’image CMOS [1] traditionnels sont efficaces, mais peu utilisables dans des situations de lumière faible ou de fluorescence. De même, de gros pixels, même disposés dans une matrice, ne permettent pas des vitesses de lecture rapide. Un nouveau composant optoélectronique développé par l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques IMS de Dresde (Saxe) accélère ce processus et fait déjà l’objet d’un brevet.

Les capteurs d’image CMOS ont longtemps été utilisés dans le marché de la photographie numérique. Au niveau de la production, ils sont nettement moins chers que les autres capteurs existants, et sont supérieurs en termes de consommation d’énergie et de maniabilité. Par conséquent les grands fabricants de téléphones mobiles et d’appareils photo numériques utilisent presque exclusivement des puces CMOS dans leurs produits, lesquelles permettent également de réduire la taille des composants.

Toutefois, les semi-conducteurs optiques rencontrent parfois des limites : bien que la miniaturisation de l’électronique grand public conduise à des tailles de pixels plus petites, d’environ 1 micron, dans certaines applications, des pixels de plus de 10 microns sont nécessaires. Particulièrement dans les zones où peu de lumière est disponible, comme dans la photographie aux rayons X, ou en astronomie, une plus grande surface de pixel peut compenser un manque de lumière. Et pour la conversion des signaux lumineux en impulsions électriques, des photodiodes PIN sont utilisées. Ces composants optoélectroniques sont essentiels pour le traitement d’image et intégrés dans les puces CMOS. « Mais si les pixels dépassent une certaine taille, les photodiodes PIN rencontrent un gros problème de vitesse », soutient Werner Brockherde, chercheur à l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques IMS. Et le défi, presque insoluble, est que la plupart des applications situées en faible luminosité (donc à signal faible) nécessitent un taux de traitement et de rafraîchissement élevé.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs du Fraunhofer IMS ont développé un nouveau dispositif d’opto-électronique, déjà breveté et nommé LDPD (pour « Lateral drift field photodetector », ou photodétecteur de champ à dérive latéral). Dans celui-ci, « les porteurs de charge générés par la lumière incidente circulent vers la cathode à grande vitesse », explique le chercheur.

Dans les photodiodes PIN traditionnelles, les électrons se diffusent seuls vers le noeud de lecture. Un processus relativement lent, mais suffisant pour de nombreuses applications. Mais dans le LDPD, « en intégrant un courant électrique dans la zone photoactive de l’appareil, nous pouvons accélérer ce processus jusqu’à une centaine de fois. »

Pour réaliser ce nouveau composant, les chercheurs de l’IMS adaptent et élargissent le procédé de fabrication des puces optiques de 0,35 micron actuellement disponibles. Un prototype de cette nouvelle puce optique à grande vitesse est déjà disponible, et la production en série devrait commencer en 2013, selon Brockherde.

Ces capteurs CMOS à grande vitesse sont des candidats idéaux pour les applications qui nécessitent une grande envergure de pixels et une vitesse de lecture élevée : ils pourraient être utilisés non seulement en astronomie, en spectroscopie ou en radiographie moderne. Ils sont également idéaux en tant que capteurs 3D, qui travaillent sur la méthode des temps de réflexion de la lumière (transmission des signaux à partir de sources de lumière de courtes impulsions qui sont réfléchies par les objets). Basés sur le temps d’exécution de la lumière réfléchie, ces capteurs peuvent détecter un environnement tridimensionnel plus précisément et générer des images virtuelles 3D de manière plus rapide et plus fiable. Les chercheurs de l’IMS ont ainsi développé des capteurs à arrangement de pixel unique pour l’entreprise TriDiCam GmbH.

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[1] Complementary Metal Oxide Semiconductor

 

Sources :

« Mit High-Speed-CMOS-Sensoren sieht man besser », communiqué du Fraunhofer IMS, dépêche du cluster de pointe Silicon Saxony – 05/01/2012 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/KEYKF

 

Rédacteurs :

Charles Collet, charles.collet@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr