Brevet FR2024514A1 — publié le 19700828

\ 69 40876 2024514 La présente invention se rapporte à des dispositifs de conservation de charges électriques comportant une cible analysée par des moyens de lecture et concerne plus particulièrement une cible comportant un ensemble de diodes . 5 Un dispositif de conservation de charges connu est le tu be de prise de vues vidicon . Un tube vidicon comprend une enveloppe évacuée dont l'une des extrémités se termine par une plaque frontale transparente. Sur la face intérieure de cette plaque frontale est placée une première plaque conductrice trans-10 parente, appelée plaque-signal et sur cette plaque-signal se trouve une cible de conservation de charges électriques .A l'autre extrémité de l'enveloppe est placé un canon à électrons destiné à produire un faisceau électronique dirigé vers la cible. Dans un certain tube vidicon, un dispositif de déviation électro-15 statique est logé dans le tube pour balayer le faisceau électronique suivant une trame sur la face de la cible tournée vers le canon . Parmi les types de cible qui sont utilisés dans les tubes vidicon, on peut mentionner les cibles comportant un ensemble de 20 photodiodes . Ges cibles comprennent une plaquette semiconductri-ce dont la région principale a un certain mode de conduction et qui porte une série ou un ensemble de régions discrètes ayant aux autre mode de conduction sur l'une de ses grandes faces . Ces régions discrètes forment des jonctions p-n avec la région prin-25 cipale de la plaquette . La surface de la région principale séparant les régions discrètes est entièrement couverte d'une couche isolante . L'un des problèmes auxquels on se heurte avec les cibles antérieures est que le faisceau n'atterrit pas correctement sur 30 les régions discrètes . Ainsi, des charges électriques s'accumulent à la surface de la couche isolante et tendent à repousser le faisceau de cette surface . Quand les régions discrètes sont très petites, la proportion de la surface isolante, comparativement à la proportion de la surface des régions discrètes, qui 35 est exposée au faisceau est relativement grande. Il en résulte qu'une partie appréciable du faisceau est empêchée d'atterrir sur les régions discrètes par les charges électriques de la couche isolante entourant immédiatement la région discrète. Pour amélio 69 40876 -2- 2024514 rer les conditions d'atterrissage du faisceau, on place des ouvertures métalliques circulaires au-dessus et en contact électrique avec la surface des régions discrètes de manière à déborder sur la couche isolante entourant ces régions discrètes. Ces cou-5 vertures augmentent la grandeur de l'aire d'atterrissage des ré» /-.ions discrètes et diminuent la grandeur de l'aire isolante découverte, ce dont résulte une amélioration des conditions d'atter risage du faisceau . Toutefois, ces couvertures ont l'inconvénient que lorsqu'une partie quelconque d'entre elles vient au 10 contact de la région principale de la plaquette, il se produit un court circuit direct entre cette dernière et le faisceau.Un tel court-circuit apparaît sur l'image provenant de la cible sous la forme d'une tache brillante. Un contact avec la région principale de la plaquette se produit, par exemple, en cas de défaut 15 de coïncidence entre les ouvertures de la couche isolante et les régions discrètes ou quand le métal vient au contact de la région principale par un défaut de la couche isolante, tel qu'un trou d'épingle. De plus, le procédé de vaporisation utilisé pour former les couvertures de métal a pour résultat de rendre inopéran-20 tes un pourcentage relativement élevé de diodes, car il n'est pas rare qu'une couverture ne fasse pas directement contact avec une partie propre de la surface d'une région discrète . Pendant la diffusion pour produire les régions discrètes un mince revêtement isolant se forme à la surface de celles-ci.Il 25 est nécessaire d'enlever ce revêtement avant de placer les couver tures sur les régions discrètes . Or, l'enlèvement de ce revêtement entraîne un creusement considérable-de la couche isolante placée à la surface de la région principale . Ainsi, les risques sont plus grands que la région principale soit découverte et 30 vienne au contact d'une couverture, créant ainsi un court-circuit Selon l'invention, un dispositif de conservation de char ges électriques comportant une cible et un des moyens de lecture est pourvu d'une nouvelle cible . Cette cible comprend une plaquette semiconductrice ayant deux grandes faces opposées. La pla-35 quette comporte un ensemble de régions discrètes ayant un premier mode de conduction et une région principale ayant un second mode de conduction. Ces régions discrètes sont situées sur la seconde 69 40876 -3- 2024514 grande face de la plaquette et s'enfoncent dans celle-ci d'une distance inférieure à l'épaisseur de cette plaquette. La région principale est définie comme la région s'étendant entre la première et la seconde faces de la plaquette, à l'exclusion des 5 régions discrètes. Une couche isolante couvre la seconde face de la plaquette là où elle présente le second mode de conduction. Une couverture semiconductrice couvre et est en contact électrique avec chaque région discrète . Ces couvertures semiconductrices améliorent le contact 10 entre les moyens de lecture et les aires discrètes et peuvent être utilisées comme source de diffusion pour les régions discrètes . De plus, un contact entre une couverture et la région principale, qui pourrait résulter d'un défaut de coïncidence entre les régions discrètes et les ouvertures de la couche iso-15 lante ou de l'entrée de la matière.de la couverture dans un trou d'épingle de la couche isolante, ne se traduit pas par un court-circuit. Au contraire, il en résulte la formation d'une jonction p-n séparée à l'endroit du contact, puisqu'il s'y produit une diffusion dans la région principale . Cette jonction séparée 20 n'affecte pas le fonctionnement de la cible, étant imperceptible dans le signal de celle-ci. Etant donné que la diffusion s'effectue à partir des couvertures, aucun revêtement isolant ne. se forme sur les régions discrètes . Ainsi, l'étape d'enlèvement d'un tel revêtement avant de placer les couvertures sur les ré-25 gions discrètes est entièrement éliminée, tout en produisant une cible améliorée . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention réssortiront de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin 30 annexé, dans lequel : - La Fig.l est une vue latérale en coupe d'un tube de prise de vues vidicon utilisant l'invention; - La I'ig.2 est une coupe partielle à grande échelle de la cible du tube de la Fig.l; 35 - La Fig-3 est une vue partielle à grande échelle de la face analysée de la cible de la î'ig.2; - La ]?ig.4 est une coupe latérale partielle à grande échelle 69 40876 4 2024514 d'un autre mode de réalisation de l'invention; - La Fig.5 est une vue latérale partielle d'un troisième exemple de réalisation; et - La Fig.6 est une vue d'un fragment de là face analysée 5 de la cible de la î'ig.2, où un système d'analyse à semiconducteurs indiqué schématiquement est connecté à la cible . En se référant à la Fig.1, on voit un mode de.réalisation préféré de l'invention sous la forme d'un tube de prise de vues de télévision 10 du type vidicon qui comporte une enveloppe 10 évacuée 12, une plaque frontale transparente 14 à l'une des extrémités. de l'enveloppe 12, un canon à électrons 16 logé à l'intérieur de cette enveloppe afin de former un faisceau électronique et une cible 18 adjacente à la face intérieure de la plaque frontale 14. Des moyens ( non représentés ) pour diriger le fais-15 ceau électronique vers la cible 18 et pour le balayer au-dessus de la surface de cette dernière peuvent être logés à l'intérieur de l'enveloppe 12. La cible 18, dont un fragment est représenté sur la I'ig.2, est une cible à photodiodes de silicium . Elle est formée d'un 20 seul cristal circulaire de silicium d'environ 25 mm de diamètre et d'environ 20 ja d'épaisseur . La région principale 20 de cette plaquette est dopée avec du phosphore pour produire une conduc- 15 3 16 tion n à tin niveau d'environ 2. 10 atomes / cm à environ 10 atomes /cm^ . 25 Sur l'une des grandes faces de la plaquette est formé un ensemble de régions discrètes du type p 22. Ces régions discrètes espacées d'environ 25,4 ^ de centre à centre ont un diamètre d'environ 7 /i et; s'étendent à une profondeur d'environ 5 p- dans la plaquette. Chaque région discrète 22 forme une photodiode à 50 jonction p-n avec la région principale du type n 20 de la plaquette . L'impureté des régions discrètes 22 est le bore. Une couche isolante 24 de bioxyde de silicium, d'une épaisseur d'environ 0,4 à environ 1,5_/i couvre la surface de la région principale n 20 qui sépare les régions discrètes de type p 35 22. • La surface de chaque région discrète de type p 22 est couverte d'une couverture polycristalline 26 de silicium dopé à la 69 40876 -5- 2024514 dégénérescence d'environ 0,6 /i d'épaisseur recouvrant le bore de la couche isolante 24 . L'impureté dopante des couvertures 19 est le bore, dont la concentration est de l'ordre de 10 atomes /cm^o La résistivité des couvertures 26 est de l'ordre de 30 A au 5 carré . ~ " La cible 18 peut être fabriquée par le procédé suivant:on commence par faire croître la couche isolante de bioxyde de silicium 24 à une épaisseur d'environ 0,8 /u. sur l'une des grandes faces d'une plaquette de silicium extrêmement pur d'une épaisseur 10 de 127 yu erL chauffant cette plaquette pendant environ une heure à environ 1100 °C dans une atmosphère de vapeur. En utilisant des techniques classiques de photogravure, on décape dans la couche isolante 24 un ensemble d'ouvertures d'environ 7 /Q de diamètre, espacées d'environ 25, 4fi de centre à centre, afin de dénuder 15 des aires discrètes de la surface de la plaquette. On dépose ensuite en phase de vapeur une couche de silicium d'environ 0,6 yu d'épaisseur fortement dopée avec du bore sur ces aires discrètes découvertes et sur la couche isolante 24. On décape ensuite la couche de silicium, en utilisant une technique de photogravure, 20 pour former les couvertures 26 dans les ouvertures de façon qu'elles débordent dans une certaine mesure sur la couche isolante adjacente 24. Les couvertures 26 ne se touchent pas .Ces couvertures ont une forme générale carrée, mesurant environ 17 /1 de côté . On cuit ensuite la plaquette dans un four sec à environ 25 1200°C pendant environ 5 minutes, on la refroidit lentement à environ 750°C en l'espace d'environ deux heures, puis on la refroidit à la température ambiante . Pendant la cuisson, une partie de l'impureté des couvertures 26 diffuse dans la plaquette et y forme les régions discrètes du type p 22. Ces régions dis-30 crêtes 22 forment des jonctions p-n avec la région principale de type n 20 et s'étendent dans la plaquette à une profondeur d'environ 3 /1 • On décape ensuite par voie chimique la face non-diffusée de la plaquette jusqu'à ce que son épaisseur ait été ramenée à environ 20 yi .Une région plus épaisse peut être 35 réservée autour de la périphérie de la plaquette pour servir de support structural . On place le côté non-diffusé de la cible 18 contre la 69 40876 -6- 2024514 face intérieure de la plaque frontale 14, tandis que son côté opposé, qui porte les couvertures 26, est orienté vers le canon à électrons 16. Quand la cible 18 fonctionne dans le tube vidison 10, la 5 région principale n 20 est normalement polarisée à un potentiel positif "7" de quelques volts par rapport à la cathode du canon à électrons 16. Le faisceau d'analyse frappe, à tour de rôle, chaque couverture 26 . Les électrons du faisceau sont conduits à travers les couvertures 26 de la région p 22. L'addition d'élec-10 trons à la région discrète 22 polarise inversement sa jonction p-n, permettant ainsi aux charges électriques de s'accumuler jusqu'à ce que la région discrète 22 et la couverture 26 atteignent le potentiel de la cathode et repoussent le faisceau électronique . Dans l'obscurité, une bonne diode peut retenir la 15 majeure partie de la charge dans sa région discrète 22 pendant un temps considérable . Par contre., lorsque la région principale n 20 absorbe de la lumière, il se forme des porteurs électrisés qui peuvent migrer vers la région p-n, ce dont résulte une fuite de charges de la région discrète 22. Ainsi, la prochaine fois 20 que le faisceau électronique balaie la couverture 26 de la région discrète 22 ainsi déchargée, il ramène rapidement cette région au potentiel de la cathode . La fluctuation soudaine de potentiel dans la région discrète 22 a pour résultat, par couplage capacitif, line fluctuation de courant correspondante dans la région 25 principale n 20. La région principale 20 est suffisamment conductrice pour faire fonction de plaque-signal pour la cible 18 et les fluctuations de courant qui s'y produisent peuvent être transférées, par un contact électrique 28, à un montage classique de traitement de signaux vidéo ( non-représentés ). 30 Après la diffusion, les couvertures 26 ont un niveau de 19 5 dopage de l'ordre de 10 atomes/cm et une résistivité de l'or-dre de 30 c'est-à-dire, légèrement supérieure à la résisti vité des métaux, mais leur action pour conduire les électrons du faisceau vers les régions de type p 22 convient parfaitement aux 35 cadences de balayage normales des tubes vidéo » En effet, le faisceau électronique constitue une source ayant une impédance suffisamment élevée pour que la résistance des couvertures 26 69 40876 -?- 2024514 n'ait pratiquement pas d'importance . Bien que le mode de réalisation préféré de l'invention soit un tube de prise de vues du type vidicon, il est à noter que celle-ci comprend également d'autres sortes de dispositifs de 5 conservation de charges électriques ayant une cible de conservation analysée par des moyens de lecture . De tels dispositifs peuvent, par exemple, être des tubes de mémoire, des tubes de conversion de standards ou des détecteurs d'image solides . C'est ainsi, par exemple, qu'en utilisant un mode d'émission secondai-10 re, le mode de conduction des régions discrètes 22 et de la région principale 20 pouvait être interverti, de sorte que les régions discrètes 22 seraient du type n, tandis que la région principale 20 serait du type p. Dans ces conditions, le côté analysé de la cible 18 est amené au potentiel de la grille d'accélé-15 ration du canon 16 par une émission secondaire . La nouvelle cible 18 peut être constituée par une plaquette monocristalline de silicium, comme dans le mode de réalisation préféré, par une plaquette polycristalline de silicium ou par une plaquette mono-ou polycristalline d'une autre matière semiconduc-20 trice telle que le germanium, l'arséniure de gallium ou le phos-phure-arséniure de gallium . Les diodes peuvent être du type mésa ou de tout autre type . Les couvertures 26 ne doivent pas nécessairement être de la même matière semiconductrice que la région principale 20 à condition qu'elle soit suffisamment dopée pour 25 présenter une résistance relativement basse. La matière de la couverture 26 doit, elle-même, être une matière ou contenir une matière capable de modifier le mode de conduction de la matière de la plaquette afin de former des régions discrètes et,avec elle des jonctions p-n. De telles matières peuvent, par exemple, 30 être les éléments des groupes III et V de la table périodique dans le cas du silicium ou du germanium et des éléments des groupes II, IV et VI dans le cas des composés III-V, tels que l'arséniure de gallium . Ces agents de modification de conduction pourraient aussi être diffusés à travers les couvertures 26 qui 35 seraient formées sur la cible 18 dans un état non-dopé - Pour que la cible 18 ait une sensibilité optimale, il est souhaitable que son épaisseur soit de l'ordre de la longueur de diffusion moyenne.des porteurs électrisés dans la plaquette . 69 40876 -8- 2024514 Ceci assure qu'une quantité suffisante de porteurs électrisés engendrés par la lumière sera capable d'atteindre l'une des régions discrètes 22. Pour obtenir une bonne réponse aux courtes longueurs d'onde; telles que les bleus, et pour assurer une borne 5 résolution, la plaquette doit être aussi mince que possible. Pendant le fonctionnement, la région exempte de champ de la plaquette doit, de préférence, être réduite à un minimum en appliquant des tensions qui amènent la région dépeuplée presque à la surface de la cible éclairée 18 . Dans ces conditions, les porteurs 10 électrisés engendrés par la lumière dans la région exempte de champ ont plus de chance d'atteindre la région dépeuplée. Une fois la région dépeuplée atteinte, il est très probable que ces porteurs électrisés atteindront les régions discrètes sous l'influence du champ relativement intense qui y règne . L'emprison-15 nement des porteurs électrisés à la surface éclairée peut être réduit par la formation d'une région d'accumulation destinée à repousser les porteurs.de la surface . Cette région d'accumulation peut être formée par une diffusion peu profonde d'impuretés n sur la surface éclairée. 20 Dans le mode de réalisation préféré, les couvertures 26 ont une forme carrée afin de maximiser le rapport de la surface des couvertures 26 sur la surface de la couche isolante 24 exposée au faisceau, tout en assurant à la couche isolante 24 une surface suffisante pour prévenir les fuites entre les couvertu-25 res 26. Toutefois, il est bien évident que les couvertures 26 pourraient avoir toutes sortes d'autres formes . Les couvertures 26 n'ont pas besoin d'être séparées les unes des autres pour remplir leur fonction . En outre, elles pourraient être monocristallines, polycristallines, amorphes ou 30 bien, combinées. Elles pourraient se présenter sous la forme d'une seule couche de contact dopée, amorphe, de couvertures pointées 26 placées sur le côté de la cible 18 balayé par le faisceau, comme représenté sur la Fig.4. Cette couche de contact pourrait avoir une épaisseur uniforme ou bien pourrait être ami n*-35 cie dans les régions de la couche isolante 24, comme le montre la Fig.5, par exemple, par ion décapage chimique . Cette couche sert de source de diffusion pour les régions discrètes 22. Même/ 69 40876 -9- 2024514 couche de contact d'épaisseur uniforme peut fonctionner conformément à la présente invention . L'épaisseur de la couche de contact peut être choisie pour obtenir une résistance latérale suffisamment grande pour qu'il n'y ait pas de courant de surface 5 appréciable entre une région 22 donnée et la voisine. En même temps, la résistance à travers la faible épaisseur de la couche de contact peut être relativement basse, permettant ainsi à chaque couverture 26 d'opérer de façon relativement indépendante. La couche isolante 24 séparant la surface de la région 10 principale 20 du faisceau peut être faite de différentes matières isolantes, par exemple, de verre, qui sont capables de constituer un revêtement isolant dans les conditions nécessaires pour la fabrication de la cible et pour le fonctionnement du tube 10. Dans le cas d'une plaquette de silicium, il est préférable d'u-15 tiliser le bioxyde de silicium en raison de ses propriétés ré-fractaires et de la facilité avec laquelle iij. peut être formé. •Le côté éclairé de la cible pourrait comporter des revêtements transparents, anti-réfléchissants, afin d'améliorer le couplage optique entre la cible et le système optique auquel elle 20 est associée, par exemple, la plaque frontale du tube vidicon 10. Ce côté pourrait aussi être pourvu d'une région d'accumulation de type n+ afin de diminuer la recombinaison superficielle à la surface éclairée. Dans un tube vidicon,la lecture des informations s'effec-25 tue par contact des éléments individuels de la cible,tels que les diodes, avec un faisceau d'électrons . Toutefois, quand la cible se compose d'éléments discrets, tels qu'un ensemble de diodes, la fonction du faisceau électronique pourrait être assurée en amenant chaque élément au contact d'un conducteur élec-30 trique, puis en analysant les conducteurs avec un montage à éléments solides . La Fig.4 montre un fragment de la surface analysée d'une cible 30 ayant la même structure générale que la cible de la Fig.3, mais dont les couvertures 32 sont connectées par des conducteurs 34 à un générateur d'analyse à-élément semi-35 conducteur 36, indiqué schématiquement . Le générateur d'analyse 36 connecte successivement chaque couverture à un potentiel de référence " Y " qui peut être le même potentiel que celui auquel 69 40876 ■10- 2024514 le faisceau électronique porte les couvertures dans un tube vidicon . Sauf en ce qui concerne la manière dont les couvertures sont ramenées à un potentiel de référence, le fonctionnement du montage de la Fig.4- est sensiblement le même que précé-5 demment . Chacun des modes de réalisation ci-dessus peut fonctionner avec les tensions, les courants et les fréquences normalement utilisés dans les dispositifs du type particulier considéxés. A cet égard, les cibles de l'invention sont compatibles avec 10 les structures existantes et ne nécessitent aucun traitement spécial pour obtenir un fonctionnement satisfaisant . 69 40876 -11- 2024514 - REVEHDICAIIOHS - 1.- Dispositif de conservation de charges électriques qui comporte une cible ayant deux grandes faces opposées et des moyens de lecture pour venir sélectivement au contact de certaines parties de la seconde face de ladite cible, cette cible 5 comprenant (a) une plaquette semiconductrice ayant une certaine épaisseur et deux grandes faces opposées et comportant :(1) un ensemble ou une série de régions discrètes sur sa première face et qui s'étendent à l'intérieur de ladite plaquette sur une distance inférieure à l'épaisseur de celle-ci, lesdites régions dis-10 crêtes ayant un premier mode de conduction; (2) une région principale définie comme la région s'étendant entre la première et la seconde faces de ladite plaquette limitée, à ladite première face de la plaquette, par lesdites régions discrètes et par la partie de cette première face située entre lesdites régions dis-15 crêtes, ladite région principale ayant un second mode de conduction; (b) une couche isolante placée sur la seconde face de la plaquette et couvrant les aires de celle-ci ayant ledit second mode de conduction; et (c) un ensemble de couvertures semi-Ôonductrices placé sur la première face de la plaquette, en 20 contact électrique avec les aires ayant le premier mode de conduction, lesdites couvertures contenant une impureté pour conférer à la matière de ladite région principale un premier mode de conduction. 2.- Dispositif selon la revendication 1 et dans lequel la 25 dite région principale est du silicium de type n. 3.- Dispositif selon la revendication 2 dans lequel ladite région principale a une résistivité égale ou supérieure à 0,5 /l» /cm . 4-.- Cible selon la revendication 1 dans laquelle lesdites 30 couvertures ont une forme carrée . 5«- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel lesdites couvertures et lesdites régions discrètes contiennent la même impureté. 6.- Cible de conservation de charges électriques pour un 35 tube de prise de vues vidicon qui comprend : (a) une plaquette de silicium n ayant deux grandes faces opposées et présentant 69 40876 -12- 2024514 une résistivité de l'ordre de 0,5 /cm à 200 A /cm ; (b) uxl ensemble de régions de silicium p discrètes situées sur la seconde face de la plaquette ; C°) t*11© couche isolante couvrant l'aire de la seconde face comprise entre lesdites régions discrètes; et 5 (d) des couvertures de silicium au contact desdites régions discrètes et couvrant celles-ci, lesdites couvertures constituant des sources de diffusion pour lesdites régions discrètes . 7.- Cible selon la revendication b dans laquelle lesdites couvertures contiennent une impureté p qui confère au silicium 10 le mode de conduction p. 8.- Cible selon la revendication 7 dans laquelle lesdites couvertures sont dopées à la dégénérescence .