La révolution CMOS. Thierry Midavaine WETAL 2011 Dimanche 13 novembre 2011

Transcription

1 La révolution CMOS Thierry Midavaine WETAL 2011 Dimanche 13 novembre

2 Remerciements Aptina BAE system imaging solution (Fairchild Imaging) Canon Caeleste CMOSIS Cypress Semiconductor e2v technologies Foveon Hamamatsu IDS New Imaging Technology Sony Thales 2

3 Plan Historique Rappels sur les semi-conducteurs La matrice CMOS Comparaison matrices CCD CMOS Canon Fairchild Imaging NIT et HDR Dernières avancées Conclusion 3

4 Historique CCD et CMOS Noble et Chamberlain inventent le réseau de pixels actifs intégrant un ampli MOS (CMOS 3T). 19 octobre 1969 invention du CCD à Bell lab par Boyle & Smith et de manière indépendante à Philips Eindhoven par Sangster et Teer Fairchild format 100 x 100, 1976 format 256x Les CCD Intensifiés (ICCD) 1988 Les matrices CCD à bombardement d électrons (EBCCD) au LEP 1985 Les CCD remplacent progressivement l argentique et les tubes électroniques dans les observatoires Tektronix propose un CCD au format 2048 x plafonnement des fab CCD au profit des fab des matrices CMOS 2000 Les CCD à multiplications d électrons (EMCCD) chez EEV et Texas Instrument 2001 Matrice CMOS 4096 x Les matrices CMOS à bombardement d électrons (EBCMOS) avec des photocathodes de troisième génération ou à transfert d électrons chez Intevac 2005 les matrices CMOS 4T, 5T à faible bruit chez Canon. Le CA des matrices CMOS dépasse celui des CCD Fabrication des matrices CMOS à 4, 5T à faible bruit Fairchild Imaging marché mondial de 1,363 milliards de capteurs d images 6 octobre 2009 Attribution du prix Nobel de Physique à Boyle & Smith pour l invention du CCD et à Kao pour la fibre optique 2012 le marché mondial est estimé >2 milliards de capteurs 4

5 Rappels sur les semi-conducteurs L effet photoconducteur La capa MOS La photodiode Les CCD 5

6 EFFET PHOTOCONDUCTEUR Matériau homogène pur ou accueillant des impuretés: dopage n ou dopage p. Diagramme énergétique énergie énergie énergie hν > E conduction valence Ec E Ev Ei conduction valence Ei conduction valence Photoconduction intrinsèque Photoconduction extrinsèque Dopé n Électrons porteurs majoritaires Dopé p Trous porteurs majoritaires 6

7 La capacité MOS L absorption d un photon crée une paire électron trou. L électron dans la bande de conduction se propage dans le silicium, il est collecté dans la capa MOS. Gap = E C -E V Matériau dopé p : trous + porteurs majoritaires. La polarisation de la capa évacue les porteurs + en créant une zone de déplétion. Le matériau est chargé négativement. Pour le Silicium : E C -E V =1.12 ev = 1.8 E-19 J Énergie du photon = h.c/λ Longueur d onde de coupure : λ C =1.1µm 7

8 La photodiode Région dopée n Région dopée p Une jonction : la juxtaposition d une zone dopée n et d une zone dopée p n p 8

9 La diode : la jonction p n Région dopée n n n n Région dopée p * * Champ électrostatique p p p La région dopée n a un excès de porteurs négatifs (électrons mobiles). La région dopée p a un excès de porteurs positifs (trous mobiles). Les deux régions sont juxtaposées par la jonction Les électrons vont diffuser vers la région dopée p et les trous vont diffusées vers la zone dopées n. Si les trous et les électrons se rencontrent ils se recombinent dans la région de la jonction. Le volume autour de la jonction va être ainsi dépeuplée en électron et trou créant ainsi une zone de déplétion, dépeuplée de porteurs. En final les deux réseaux atomiques autour de la zone de déplétion auront une charge résiduelle (du fait de la disparition des porteurs qui équilibraient les deux régions) faisant apparaître un champ électrique. Nous avons ainsi une différence de potentiel entre la région n et p de la jonction. 9

10 Illumination de la diode : n n p p Circuit en polarisation inverse Si on illumine la jonction, les photons (si leur énergie est suffisante, supérieure à l énergie du gap) vont créer des paires électrons trous libres. Les électrons seront attirés par la région n de charge positive et les trous seront attirés vers la région p de charge négative. Il y a ainsi génération d un courant. C est l effet photovoltaïque : on a un générateur de tension courant. Si on place la jonction dans un circuit en polarisation inverse : la cathode connectée à la région de dopage n et l anode à la région de dopage p, on va élargir la zone de déplétion et les photoélectrons vont générer un photocourant inverse directement proportionnel. En augmentant la polarisation on va créer un détecteur à avalanche par le double effet de l accélération des charges qui vont gagner en énergie et impacter le réseau cristallin en libérant des charges supplémentaires 10

11 Caractéristiques des détecteurs photoniques Courbes i=f(v) en fonctions du flux F photoémissif photoconducteur photovoltaïque n p i F4 F3 F2 i F4 F3 F2 i F1= 0 V F1=0 V F1=0 F2 F3 F4 V 11

12 Les matrices CCD Il existe 4 types de matrices CCD : Les CCD pleine trame (full frame) Les CCD à transfert de trame (intégrant une zone mémoire) Les CCD à transfert interligne. Les CCD FIT (Field and Interline Transfert) qui combinent les deux précédentes architectures. 12

13 Bruit de lecture des CCD 13

14 Les matrices CMOS C est une technologie ancienne des années 70 qui émerge dans les années 80 pour l imagerie scientifique et les circuits de lecture des détecteurs IR et se diversifie fin des années 90 tirée par les applications grand public grâce à la diminution des tailles de motif dans les fonderies CMOS et la possibilité de faire une camera on chip : Webcam Photographie numérique Caméscopes Téléphonie portable (Marché de 1 milliard d unités par an à partir de 2010) Les marchés : professionnel, scientifique, spatial et militaire ouvrent de nouveaux déboucher à de nouvelles évolutions de ce type de capteur. 14

15 PIN Photodiode Photodiode 15

16 Pixel 3T Transistor de reset Transistor de sélection Photodiode Transistor suiveur Chaque pixel comprend : Colonne La photodiode PIN et de stockage des charges Un transistor de reset Un transistor suiveur qui assure la conversion charge tension Un transistor de sélection du pixel à lire 16

17 CMOS APS 3T Adressage de ligne sortie sortie sortie sortie Mode d intégration lecture de type ERS (electronic rolling shutter) : S/H ds le pixel Bruit important : Bruit de reset en ktc FF faible pour les petits pixels Couches de métaux µ-lentilles Adressage de colonne 17

18 Pixel 4T: «pinned photodiodes» p+ TX n+ n+ CMOS+diffusion spéciale Pour le marché des mobiles Permet de faire du CDS : Diminution forte du bruit ktc : 3e- Réduction du FPN Accessible en standard 18

19 Pixel 4T Transistor pour le CDS 4eme transistor permettant d isoler la photodiode et la capa de collection des charges permettant de faire un CDS et de neutraliser le bruit en ktc Colonne 19

20 Pixel 5T Transistor de Global Shutter Introduction d un 5eme transistor pour réaliser la fonction global shutter pour synchroniser l exposition sur tous les pixels Piloter le temps d exposition Faire un antiéblouissement Intégration pendant la lecture L introduction de transistors supplémentaires (6T), de capa supplémentaires et d interconnections entre pixels peut permettre de faire du traitement d image dans le pixel ou entre pixels voisins. 20

21 Intégration sur le chip Sur le chip on peut intégrer : La surface sensible (génération des photoélectrons) L accumulation du signal La fonction obturation pour le pixel et pour toute la matrice La conversion courant tension avec des lois linéaires ou non linéaires Des éventuelles fonctions de détection ou de traitement local dans le pixel ou avec les pixels adjacents les fonctions de pilotage du capteur et de lecture (avec des tensions plus faibles que sur un CCD) avec des fonctions fenêtrage, accès aléatoire L amplification du signal et la conversion analogique numérique : jusqu à un ou deux CAN par colonne Des fonctions de mémoire Des fonctions de traitement d image La correction de non uniformité Vers la camera mono puce 21

22 CCD CMOS Avantages TDI drift scan Binning NxN Bruit stationnaire Inconvénients Limite pixel/s de la sortie série Fonderies spécifiques Faibles tensions Faible consommation Faible bruit (4T) Conversion charges/tension pixel Linéarité ou non linéarité de réponse CAN intégré sur le chip Camera on chip Accès aléatoire fenêtrage (ROI) Faible coût Fonderies CMOS Maitrise de la diode pn Process spécifiques Amincissement 22

23 Les tendances sur les Matrices CMOS Diminution des coûts : 2004 Module Camera CMOS format VGA à 6-8 $ 2008 l objectif et de faire un module complet pour 1$ pour les téléphones portables Diminution des formats 1/7 en 352x288 Augmentation des formats limités par les dimensions des process de photolithographie et par stiching : Photographie numérique 24x36 et plus 16M pixels pour les cameras de cinémas numériques Diminution des pixels : 2008 CMOS 3T à 1µm de pas avec les technologies 0,065µm ainsi nous sommes proche de la longueur d onde. Augmentation du nombre de transistors par pixel : 4, 5, 6, 7, 8T... Augmentation de la sensibilité: en 2009 matrices CMOS amincis éclairage face arrière (Stmicro, Fairchild Imaging, Sony ) 23

24 Les tendances sur les détecteurs matriciels Les matrices CMOS prennent le lead sur les matrices CCD en 2005 Les parts de marchés du CCD diminuent (10%) au profit des matrices CMOS (90%) pour un marché 2010 de 6.7 Giga USD Augmentation du nombre de pixel > 10 Mpixels Réduction du pas <5µm, vers le pixel à 1µm Réduction du bruit de lecture 5e - à 1e - par pixel, bruit inférieur à 1e - publié en 2011 (Caeleste ) et EMCMOS Augmentation de la dynamique du pixel et des CAN 14 à 16bits 24

25 Eléments de coûts Le coût du composant résulte : De l amortissement de la chaîne de production Silicium Du coût du wafer : 1-2 k suivant le nombre d opérations Du passage aux fonderies 300mm en fonderie CMOS De process spécifiques (CCD) De process standards CMOS (amortissement sur la production de µproc et mémoires. du nombre de composants par wafer (coût proportionnel à la surface du composant) Du rendement de fabrication ou du nombre de défauts sur chaque composant (proportionnel à la surface du composant). Des processus unitaires de conditionnement du composant. Les processus de photolithographie limitent la surface du composant à des dimensions de 20mm x 20mm au maximum. Au delà, des techniques de stitchings ou d aboutage permettent de faire des composant plus grands. 25

26 Les industriels des CCD et CMOS: CCD: UK-Fr: e2v technologies (EEV Marconi, Thomson) US: BAE system imaing solution (Fairchild Imaging), Kodak (à vendre), Texas Instrument Can: Teledyne (Dalsa, Philips) Jap: Sony, Panasonic (ex Matsushita), Hamamatsu, Fuji, Toshiba, Texas CMOS (tous les fabricants de CCD proposent des CMOS) Les fonderies CMOS Les fabricants de CCD Be: IMEC, Cypress, CMOSIS, Caeleste UK-Fr-It : STMicroelectronics (12 65nm), e2v technologies US: Foveon, Silicon video, NS, Aptina, Omnivision, Jap: Canon 26

27 CMOS Techno courante 130nm en 200mm Techno dispo 65nm en 300mm Sony Investissement en 2010 dans une fonderie CMOS 300mm de 370M avec une capcité de tranches/mois 27

28 Canon 40 millions de boitiers EOS en matrices CMOS 4T 28

29 Canon Show

30 Canon Boitiers : 1Dx : 18.1Mpixels 24x26 14 im/s 5DMkII : 21.1Mpixels 24x36 10 im/s Démonstrateurs 50 Mpixels en 24x36 (5792x8633) 120 Mpixel x 9184 APS-H Sensor size Installed products Imaging screen size Effective number of pixels 35mm fullframe EOS-1Ds Mark III/EOS 5D Mark II Approx. 36 x 24 mm Approx million APS-H EOS-1D Mark III Approx x 18.7 mm Approx million EOS 7D, 550D, 60D Approx x 14.9 mm Approx. 18 million APS-C EOS 50D/EOS Digital Rebel T1i (EOS 500D) Approx x 14.9 mm Approx million EOS Digital Rebel XS (EOS 1000D) Approx x 14.8 mm Approx million 30

31 Fairchild Imaging Introduction en 2009 de Matrices CMOS scientifiques à faible bruit : scmos Mise sur le marché de premières cameras en 2010 Ref workshop dec 2009 CNES Toulouse 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 ANDOR et PCO 36

37 Augmentation de la dynamique (HDR) Ration du niveau saturant par la plus petite différence de signal détectable : Ajustement de la capacité par reset successifs Acquisition de plusieurs images avec des exposition différentes Temps d exposition ou surface sensible variable spatialement (capteur Fuji) Mesure du temps à la saturation Fonction de transfert logarithmique Adaptation locale à l intensité 37

38 HDR par reset Procédé Cypress sur IBIS-5 38

39 HDR Melexis 39

40 Photonfocus (120dB) 40

41 NIT 41

42 42

43 43

44 e2v technologies 44

45 45

46 Unités IL gen 2+ IL gen 3-4 CCD interline ICCD EBAPS EMCCD CMOS 4-5T Bande µm 0.4-0,9 0,48-0,35-1,1 0,4-0,9 0,6-0,9 0,35-1,1 0,35-1,1 spectrale 0,9 Rendement % Quantique Courant d obscurité A/m C Gain >1000 > Facteur de 1, ,6 1, bruit Bruit de e - <1 < ,2 lecture Saturation e Pas µm ,7 8 6,5 FTM à % Nyquist Pixels par ligne Puissance W 0,1 0,1 1,7 2 1,2 5 2 Fabricant Photonis ITT e2v Photonis Intevac Texas Instrument Fairchild Imaging 46

47 Conclusion La fin des CCD est annoncée ou tout au moins ils vont se limiter à des niches Explosion des capteurs CMOS tirés par la téléphonie mobile La télévision HD et le cinéma numérique 4K tirent la fabrication des matrices CMOS Broadcast Emergence de capteurs scmos de classes scientifiques Le marché des cameras astro amateurs va être bouleversé De nouvelles performances et fonctionnalités en perspective L emploi astro à très faible bruit est en chantier et va progresser Une action AUDE? Vers une CMOSdine? 47

48 Bibliographie Th. Midavaine, S. Pelliard, E. Belhaire : Apport des bandes spectrales du proche ultraviolet à l infrarouge et les technologies pouvant répondre aux besoins de vision nocturne. 3eme Séminaire Vision Nocturne CEAT Toulouse Novembre 2008 Boyd Fowler, Paul Vu Fairchild Imaging, CNES workshop dec 2009 Toulouse Th. Midavaine, E. Belhaire, S. Pelliard Solid state low light level imaging, from UV to IR, needs and solutions. Optro 2010, OECD CONFERENCE CENTER, PARIS, FRANCE / 3 5 FEBRUARY 2010 Th. Midavaine : La révolution CMOS. Les Rencontres du Ciel et de l Espace novembre 2010 Cité des Sciences Paris Imagerie à Bas Niveau de Lumière- fondamentaux et perspectives, Thierry Midavaine. Les Techniques de l Ingénieur (à paraître en 2012) 48