Brevet FR2043851A1 — publié le 19710219

-1- 2043851 La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur à accumulation de charges, c'est-à-dire un élément semiconducteur dans lequel des charges électriques peuvent être déplacées entre différents niveaux d'énergie et/ou bandes d'énergie. 5 L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel dispositif. , réversible •r Les effets d'accumulation/de charges dans les matières semi-conducteurs sont bien connus. De tels processus impliquent le transfert d'une charge entre deux niveaux différents d'impure-10 tés de la matière semi-conductrice,; par exemple au moyen d'une énergie lumineuse. Au cours du transfert, l'un des deux niveaux doit être au moins partiellement vide pour .que les porteurs de l'autre niveau, qui doit être au moins partiellement occupé, puissent se déplacer. Les deux niveaux doivent donc être initia-15 lement sensiblement de part et d'autre du niveau de Fermi. L'énergie lumineuse qui assure le transfert des charges de leur état initial à leur état excité, ou lumière de pompage, doit avoir une énergie suffisante pour que ses photons puissent libérer les porteurs du niveau occupé, de façon à les transférer a travers la 20 bande de valence ou de conduction au second niveau. Un effet d'accumulation persistante des charges peut être obtenu si l'énergie de liaison des niveaux d'impuretés est suffisamment importante pour que l'ionisation thermique soit très faible et l'interaction entre les niveaux négligeable. Pour ramener les porteurs au niveau 25 initial, la matière semi-conductrice doit recevoir une énergie lumineuse suffisante pour que le niveau précédemment vide soit à nouveau rempli. La condition que les niveaux d'impuretés impliqués dans, le processus doivent initialement, être situés'de part et d'autre du niveau de Fermi nécessite une matière hautement com-30 pensée qu'il est fréquemment difficile d'obtenir. De tels processus d'accumulation réversible de charges sont décrits, par exemple, dans un article de H.G. Grimmeiss et G. Olofsson intitulé "Storage effects in Photoconducting GaP-Cu", phys. stat. sol. vol. 28 (1968) pages 547-554. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description détaillée qui suit et des dessins annexés sur lesquels : 70 19897 2043851 les figures la à 1d illustrent schématiquement un modèle de bandes d'énergie d'une matière semi-conductrice dans divers états ; les figures 2a et 2b illustrent schématiquement les diver 5 états d'une jonction PF de matière semi-conductrice. La figure la représente l'état initial d'une matière semi conductrice ayant un niveau accepteur a occupé et un niveau donne k inoccupé. Comme l'indique la figure, le niveau de Fermi doi être situé entre les deux niveaux a et k. Dans une matière à larg 10 bande interdite, telle que le phosphure de' gallium G-aP (2,25 eV), il est relativement simple d'obtenir des niveaux d'impuretés ayan de fortes énergiès de liaison, c'est-â-dire qui sont situées en profondeur, de façon que la probabilité d'une ionisation thermiqu soit très faible à la température ambiante. Pour les matières don' 15 les niveaux d'impuretés ont des énergies de liaison moindres, il est également possible d'opérer un transfert de charge. La condition de persistance de l'accumulation de charge est, dans ce caj un fonctionnement à température réduite. Le niveau accepteur a, obtenu par exemple par dopage du G-aP au cuivre, possède la parti- 20 cularité d'avoir une section de capture d'électrons faible dans BC la bande de conduction/où elle est inférieure à la valeur correspondante pour le niveau donneur k, alors que sa section de capture BV , pour les trous est importante dans la bande de valence/ L'excitation de la matière au moyen d'une énergie lumineuse de pompage pre 25 duit des paires électron-trou, entraînant le processus suivant indiqué sur la figure 1b. Les trous mobiles ainsi formés, indiqués par le signe + , sont capturés par les centres occupés du niveau accepteur a, alors que les électrons mobiles formés, indiqués par le signe - , sont capturés par les centres inoccupés du niveau 30 donneur k. Le résultat est représenté par la figure 1c, qui montre la matière après illumination par l'énergie de pompage. Il est apparu un transfert de charge entre les niveaux a et L Cet état persiste pendant une certaine durée, qui dépend principalement de la température, car la probabilité d'un transfert direct 35 entre les niveaux a et k est extrêmement faible. Le transfert de charges permet l'excitation des électrons de la bande de valence au niveau a ou du niveau donneur k à la bande de conduction, comme 7^/ BM> ORKÎINM. 70 19897 -3- représenté sur la figure 1d, lors d'une nouvelle illumination par une énergie lumineuse de rétablissement, l'énergie minimale des photons produisant une telle excitation est alors définie par l'écart énergétique qui existe entre le niveau a et la bande 5 de valence ou par l'écart énergétique qui existe entre le niveau k et la bande de conduction. Une telle excitation se traduit par la production de porteurs libres qui prennent part au mécanisme de conduction, le niveau a étant occupé, la possibilité de formation de porteurs libres est réduite. On peut ainsi utiliser cette 10 matière semi-conductrice pour la réalisation de photorésistances présentant une variation transitoire de résistance. la présente invention a pour objet un élément semi-conducteur, dans lequel une accumulation persistante de charges peut être réalisée sans nécessiter une matière semi-condutrice 15 présentant des caractéristiques difficiles à atteindre sur le plan technique. Un tel dispositif semi-conducteur à accumulation de charges comprend un corps de matière semi-conductrice ayant un premier niveau d'impuretés, au moins partiellement occupé, et un second 20 niveau d'impuretés ou un niveau situé dans la bande de conduction ou de valence, qui est au moins partiellement inoccupé, des charges pouvant être transférées entre ces deux niveaux et la matière présentant au moins une jonction PÏT ou une couche barrière. la réalisation dans la matière d'une jonction PU ou d'une 25 couche barrière permet de placer le niveau de Fermi entre les niveaux impliqués dans le transfert réversible des charges, du fait que le niveau de Fermi de la jonction passe d'une position située à proximité de la bande de conduction du côté N à une position située à proximité de la bande de valence du côté P. On peut ainsi 30 satisfaire de manière simple à la condition d'accumulation réversible des charges mentionnée plus haut. Un dispositif semi-conducteur, dans lequel une accumulation de charges est produite par l'application d'une énergie lumineuse, peut être utilisé pour diverses applications, telles que 35 la détection ou l'intégration de la lumière, les fonctions de mémoire optique et de capacité variable. 19897 -4- 2043851 La présente invention concerne également un procédé simple et sûr de fabrication d'un dispositif semi-conducteur de ce type. Pour ceci, une matière semi-conductrice, présentant deux nivëaux distincts d'impuretés et au moins une jonction PN, est 5 excitée par l'application d'une tension ou d'une énergie lumineuse de pompage dont la longueur d'onde et l'intensité sont telles que le degré d'occupation des charges du premier niveau d'impuretés et/ou du second niveau d'impuretés varie continuelle- ou ment de manière prédéterminée pendant l'illumination / l'applica-10 tion de la tension, la variation persistant après la suppression de l'énergie d'excitation. Dans une diode, il est en principe possible de réaliser une accumulation réversible de charges dans trois régions, à la savoir /partie neutre du côté P, la région d'appauvrissement et 15 la partie neutre du côté N. On notera que la région d'appauvrissement de la jonction PN permet de réaliser une telle accumulation de deux manière différentes. L'un des processus d'accumulation se déroule comme décrit plus haut, c'est-à-dire qu'il ne nécessite aucune variation de la densité de la charge d'espace. Dans l'au-20 tre processus, le niveau d'impuretés est rempli par un type de porteurs, tandis que l'autre est déplacé par le champ électrique, de façon à produire une variation de Ta densité de la charge d'espace. Pour une accumulation de charges dans la région neutre, on ne peut utiliser que le premier processus. 25 La figure 2a représente l'état initial d'une jonction P+N en équilibre avec deux niveaux profonds a et k semblables à ceux de la description précédente. On notera que les jonctions barrières ne sont pas absolument nécessaires avec deux niveaux dopés. Sur la figure 2a, les références BC et BV indiquent, respectivement, 30 la bande de conduction et la bande de valence. La description précédente (voir figure 1)' s'applique" à' une région L de la figure 2a. On observe au moins deux état différents. Des électrons, excités par l'énergie de pompage et représentés sur la'figure 2b, peuvent être capturés directement au niveau k, comme l'indique la flèche 35 A, ce qui correspond à un transfert de charges ne nécessitant pas de modification de la densité de la charge d'espace, ou peuvent se déplacer dans la région d'appauvrissement sous l'effet d'un 19897 -5- 2043851 champ électrique, d'un gradient de concentration, etc., comme l'indiquent les flèches B et B'. Dans ce dernier cas, il se produit une augmentation de la densité de la charge d'espace positive du côté 13", d'où une réduction de la largeur Wjj. de la région 5 d'appauvrissement N. La capacité de la jonction, qui est inversement proportionnelle à la largeur + Wp, est ainsi accrue. Cette variation de capacité est persistante, comme on l'a vu dans la description du processus de transfert de charges. A la suite de l'application d'une nouvelle énergie lumineuse pouvant exciter 10 les électrons de la bande de valence au niveau aT il apparaît des trous libres qui coopèrent avec les électrons précédemment accumulés pour former un courant photo-électrique. La capacité revient donc à sa valeur initiale. On peut donc réaliser une accumulation de charges dans la 15 région d'appauvrissement et dans les régions neutres, comme décrit précédemment, mais dans le cas de la région d'appauvrissement, la densité de la charge d'espace peut être affectée, de sorte que la largeur de cette région varie,ainsi que la capacité de la jonction. Les variations de capacité provoquées par l'énergie lumineuse de 20 pompage sont annulées par l'utilisation d'une autre énergie lumineuse dont les photons peuvent réduire le degré d'occupation des niveaux d'impuretés qui ont été remplis par la première énergie lumineuse de pompage. Ceci revient à dire que, par une géométrie et une concentration en impuretés prédéterminées, il est possible 25. d'obtenir une variation de capacité prédéterminée, dont l'amplitude est fonction de la longueur d'ondes de l'énergie lumineuse et du temps d'illumination. Une application simultanée de la lumière de pompage et de la lumière de rétablissement permet en outre de doser graduellement la variation de capacité, par exemple en modi-30 fiant les intensités relatives des deux énergies lumineuses. L'accumulation de charges décrite plus haut peut également être observée par l'effet photo-électrique de la jonction PU. La quantité de charges accumulée est définie par la vitesse de remplissage des centres d'impuretés, elle-même fonction de l'in-35 tensité de l'énergie lumineuse de pompage. De même, le rendement du processus de rétablissement dépend de l'intensité et de l'énergie de la lumière correspondante. On peut ainsi utiliser une lu 19897 -6- 2043851 mière de pompage à faible intensité pendant une période longue, puis mesurer pendant une courte période la charge accumulée en choisissant convenablement l'énergie et l'intensité de la lumière, de façon que le processus de rétablissement soit très rapide. 5 L'énergie de la lumière de rétablissement peut être par exemple choisie pour ne pas produire par elle-même un effet photo-électrique. L'application simultanée de la lumière de pompage et de la lumière de rétablissement donne une meilleure sensibilité aux faibles énergies, la limite inférieure de sensibilité étant fonc-10 tion des niveaux d'impuretés impliqués dans le processus de rétablissement. Pour ceci, on peut par exemple moduler la lumière de rétablissement appliquée en même temps que la lumière de pompage, puis amplifier les variations produites par la lumière modulée. L'application de la lumière de pompage pendant une période longue 15 ne produira cependant des effets persistants que si les niveaux d'énergie impliqués dans le processus ont des énergies de liaison importantes, par exemple dans un semi-conducteur tel que le phos-phure de gallium dopé au cuivre et à' l'oxygène. Dans des diodes Gap, _5 dopées au cuivre, on a mesuré une accumulation de charges de 10 20 C /cm qui ne décroissait que d'environ 30 % au bout d'une heure à la température ambiante. La variation de capacité correspondante était de 15 % et variait de la même manière dans le temps. L'énergie lumineuse de pompage nécessaire à l'excitation peut être remplacée par une tension directe ou inverse appliquée à la diore. 25 II va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre explicatif et nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de recevoir diverses variantes sans sortir de son cadre. 19897 -7- 5043851 - REVEMDICATI0M3 - 1 - Dispositif semi-conducteur à accumulation de charges, comprenant un corps de matière semi-conductrice présentant un pre ' mier niveau d1impuretés, qui est au moins partiellement occupé, e 5 un second niveau d'impuretés ou un niveau de la bande de conduction ou de la bande de valence, qui est au moins partiellement inoccupé, entre lesquels peuvent être transférées des charges, ledit dispositif semi-conducteur étant caractérisé en ce qu'au moins une jonction PN ou une couche barrière est formée dans la- 10 dite matière. 2 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce. que l'accumulation des charges se fait dans la région d1 appauvrissement. 3 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 2, 15 caractérisé en ce que l'accumulation de charges est accompagnée d'une variation de la densité de la charge d'espace. 4 - Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que la matière semi-conductrice contient un premier type d'impuretés formant le premier 20 niveau d'impuretés. 5 - Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice contient une seconde impureté formant le second niveau d'impuretés. 25 6 - Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des -revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les niveaux d'impure-. tés ont de fortes énergies de liaison. 7 - Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la matière semi-con- 30 ductrice est du phosphure de gallium, l'impureté du niveau accepteur étant du cuivre et l'impureté du niveau donneur étant de 1'oxygène. 8 - Dispositif semi-conducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le niveau accepteur est au moins partielle- 35 ment occupé et en ce que le niveau donneur est au moins partiellement inoccupé. 19897 -8- 2043851 9 - Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une matière semi-conductrice dans laquelle sont formés un premier niveau d'impuretés, un second niveau d'impuretés et 5 au moins une jonction PN, à illuminer ladite matière avec une énergie lumineuse de pompage de longueur d'onde et d'intensité convenablesfou à lui appliquer une tension, de façon à faire varier en continu le degré d'occupation des charges dans le premier niveau d'impuretés et/ou dans le second niveau d'impuretés, 10 ladite modification persistant après la suppression de ladite illumination ou de ladite tension. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les charges sont déplacées à l'intérieur de la région d'appauvrissement sous l'effet d'un champ électrique,perpendiculairement 15 plan de ladite jonction, pour provoquer'une variation de la densité de la charge d'espace. 11 - Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice est exposée à une autre énergie lumineuse"de rétablissement"tendant à réduire le degré 20 d'occupation des niveaux qui ont été remplis par l'application de l'énergie lumineuse de pompage ou de la tension, de façon à ramener la matière semi-conductrice à son état initial avec production d'un courant photo-électrique.