Brevet FR2108053A1 — publié le 19720512

i 2108053 La présente invention concerne les dispositifs semi-conducteurs et elle vise plus particulièrement le genre de ces dispositifs dans lequel la charge est emmagasinée dans des zones de potentiel minimal qui sont créées sur la surface d'un semi-conducteur et 5 qui peuvent être déplacées sur cette surface. La charge ainsi emmagasinée peut représenter dea données ou informations et l'une des applications du dispositif peut être les registres de décalage et les circuits logiques. Un dispositif semi-conducteur du genre en question est décrit 10 dans un article en anglais "Charge Coupled Semi-conductor Devices" (Dispositifs semi-conducteurs couplés à charge) par W.S.Boyle et G.E.Smith, paru dans la revue Bell Systems Technieal Journal, d' avril 1970, pages 587-593. Dans le dispositif décrit dans cet article, une série d'électrodes linéaires 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, etc, les 15 électrodes 1, 4, 7, etc étant connectées à un premier conducteur commun, les électrodes 2, 5, 8, etc connectées à un second conducteur commun et les électrodes 3, 6, 9, etc connectées à un troisième conducteur commun. En appliquant un potentiel de formes d'ondes appropriées à chacun des trois conducteurs communs, on peut créer 20 des zones d'appauvrissement dans le matériau semi-conducteur de façon telle que des charges électriques introduites sélectivement progressent à travers le semi-conducteur dans la direction de la série linéaire d'électrodes. Le dispositif décrit dans l'article en question présente cepen-25 dant un inconvénient, car des difficultés ont été rencontrées dans la réalisation matérielle du dispositif, en tant que circuit inté^ gré, difficultés dues à la nécessité de prévoir trois conducteurs communs. L'objet de l'invention est un dispositif de cette catégorie 30 qui permet d'éliminer cet inconvénient. Le dispositif semi-conducteur comprend Tin substrat semi-conducteur et il est caractérisé par une couche d'un matériau isolant é-lectriquement, disposé sur ce substrat, couche composée d'une série de zones contiguës alternativement d'une première et d'une seconde 35 épaisseur, la première étant plus grande que la seconde; par une pluralité de couches en matière conductrice de l'électricité, chaque couche recouvrant une zone de la première épaisseur et une zone adjacente de la seconde épaisseur, ces couches en matériau conducteur étant électriquement connectées en premiers et en seconds grou-35 pes, les couches du premier groupe étant placées alternativement 71 34590 2 2108053 par rapport aux couches du second groupe ; le dispositif comportant en outre des organes destinés à appliquer des impulsions de formes d'ondes phasées de façon opposée aux premier et second groupes respectivement, de manière à créer des zones d'appauvrissement dans le 5 substrat semi-conducteur ; par des moyens servant à engendrer sélectivement des porteurs mineurs ou de minorité dans une zone du substrat semi-conducteur adjacente à une première zone de ladite série possédant la première épaisseur et par des moyens servant à détecter les porteurs mineurs engendrés dans une zone dudit substrat ad-10 jacente à la série possédant la seconde épaisseur. On a représenté aux dessins ci-joints une forme non limitative de réalisation de l'invention et dans ces dessins: Fig. 1 est une vue eni perspective avec arrachement partiel d' un dispositif à charge couÇplée; 15 Pig» 2 est un graphique schématique de ce dispositif; Pig. 3 représente un graphique d'impulsions de tension et de courant par rapport au temps; Pig. 4 représente des graphiques de potentiel superficiel et de charge par rapport à des distances prises le long du dispositif. 20 Le dispositif de charge 10 (Pig. 1) comprend un substrat 12 en un matériau semi-conducteur approprié tel que le silicium. Sur le substrat une couche épaisse 14 est obtenue par croissance d'un matériau isolant, par exemple du bioxyde de silicium. Une gorge ou rainure 16 est creusée par attaque dans l'oxyde de silicium de façon 25 que le haut de la gorge 16 soit plus large que le fond. Ce dernier est sur la partie supérieure du substrat 12. Dans la gorge 16 se trouve, par croissance également, une première couche en un matériau isolant, puis des portions de cette couche sont enlevées par attaque chimique. Ensuite d'autres matériaux 30 isolants sont déposés par croissance, de façon à réaliser dans la gorge des zones d'oxyde 18 alternativement épaisses, minces, épaisses, minces, etc. Sur le dessus de chaque paire de combinaison d'un 2Qe, isolant épais et d'un isolant mince 20a, 20b, 20c, 20d, et/on dépose par tout moyen connu une couche de métal 22a, 22b, 22c, 22d et 35 22e respectivement qui recouvre pratiquement toutes les zones épaisses et minces de chaque combinaison isolante 20a à 20e. Les zones isolantes minces, à titre d'exemple, s'étendent au-dessus de la surface du semi-conducteur 12, entre 800 et 1000 angstroms et les zones épaisses ont une épaisseur de 100 à 500 angstroms de"plus que les 40 zones minces. Chaque combinaison adjacente 20a"à 20e et les zones 71 34590 3 2108053 métalliques correspondantes 22a à 22e constituent des éléments transporteurs 23a, 23b, 23c, 23d et 23e. L'extrémité plus épaisse d'isolant de chaque élément transporteur 23a: à 23e constitue l'extrémité de réception de cet élément, tandis que l'èxtrémité plus 5 mince de cet élément en est l'extrémité de transmission. Au-dessus de la couche isolante épaisse 14 se trouve une paire de conducteurs métalliques 24, 26 qui présentent chacun plusieurs doigts 28a, 28c 28e et 30b (ce dernier non représenté) respectivement. Ghacun des doigts 28a, 28c, 28e est relié à l'un des éléments 10 transporteurs phasés 23a, 23c, 23e et les doigts conducteurs 30b et 30d sont connectés à un des seconds éléments respectifs de transmission 23b et 23d. Une série d'impulsions de tension sont appliquées aux doigts conducteurs 24 et 26 et un décalage de phase de 180° est prévu en-15 tre les impulsions ainsi appliquées. La valeur des impulsions appliquées aux conducteurs 24 et 26 est la même et le cycle-service peut être de 50 cjo ou un peu plus grand que 50 $>. Les impulsions de tension appliquées aux doigts conducteurs 24 peuvent provenir d'une source de courant à une borne d'un circuit intégré, puis par un con-20 ducteur 27. Cette valeur doit être suffisante pour produire une inversion dans des conditions stables, et peut être de l'ordre de 3 à 4 volts. A l'extrémité de réception de la gorge 16 de l'élément transporteur 23a se trouve un dispositif avalanche 32 qui consiste en 25 une couche métallique 34 placée sur une portion 35 de la zone d'oxyde 18, toutes deux déposées sur le substrat- 12. Une série d'impulsions de données sont appliquées au dispositif 32 par un conducteur 36 et venant d'une plaque 38, de façon telle qu'au dessous soient introduits des porteurs majeurs et mineurs. Ceux-ci sont ensuite 30 traités par le dispositif de charge 10. A l'autre extrémité de la gorge 16, se trouve une diode Schottky 40 (non représentée en Fig.l) qui détecte les impulsions apparaissant à l'extrémité de transmission du dernier élément transporteur. On donnera un exposé du fonctionnement du dispositif 10 en se 35 référant aux Fig. 2, 3 et 4. Dans la mesure du possible, les mêmes références désignent les mêmes éléments de Fig. 2. Cette dernière représente schématiquement le dispositif de charge 10; la Fig. 3 indique la valeur des différentes formes d'ondes de tension et courant appliquées en Fig. 2 et ce par rapport au temps; quant à la 40 Fig. 4, elle montre le potentiel superficiel H'" et la charge Q, en 71 34590 4 2108053 différents points du dispositif 10, à des temps différents. La description du fonctionnement suppose que le substrat 12 est dopé N. S'il était dopé F toutes les polarités seraient inversées. De la Fig. 3C, on déduit que le signal d'entrée II représente 5 le caractère binaire 10110000 et il est indiqué comme représentant des impulsions de courant positif pour chaque bit logique "1" (apparaissant aux temps T0, T2 et T3) et de courant zéro pour chaque bit logique "0". Au temps T0, lorsque la première impulsion de courant Ii se 10 produit, des porteurs de majorité et de minorité existent au-dessous du dispositif avalanche 35. Les porteurs de minorité sont indiqués à la Fig. 4G par une charge Q,(0) comme étant une impulsion à gauche de la coordonnée TS0. De même, le signal qui est appliqué aux premiers transporteurs phasés 23a, 23c et 23e devient plus néga-15 tif que la tension de seuil V% nécessaire pour obtenir une zone uniforme d'appauvrissement sous la partie épaisse de l'oxyde des premiers transporteurs 23a, 23c et 23e, indiqués en Fig. 3Â. Une zone d'appauvrissement est donc formée au-dessous de la partie épaisse du transporteur 23a, (Fig. 4k) et possède un potentiel qui est moins 20 négatif au-dessous de la partie épaisse d'oxyde du transporteur 23a, et plus positif au-dessous de la partie mince de la couche d'oxyde de ce transporteur 23a. Des zones d'appauvrissement analogues existent également au-dessous des transporteurs 23c et 23e. Etant donné que la charge électrique passe à un point de poten-25 tiel opposé le plus grand possible, les porteurs de minorité sous le dispositif 32 sont transférés d'une zone au-dessous de ce dispositif, jusqu'à l'interface isolante qui se trouve au-dessous de la partie mince du transporteur 23a. Ce transfert a lieu entre les temps T0 et T1 (Fig. 4D) et une charge apparaît entre la zone mince 30 d'oxyde du transporteur 23a au temps Tl. Au temps T2, une tension Yg qui est appliquée aux seconds transporteurs phasés 23b et 23d, devient plus négative que la tension de seuil (Fig. 3B) et ceci produit une zone d'appauvrissement au-dessous du transporteur 23b. Cette zone aura aussi un potentiel su-35 perficiel qui est faible au-dessous de la zone épaisse d'oxyde et qui est élevé au-dessous de la zone mince d'oxyde, comme on le voit par la première forme d'onde de Fig. 4B. Une zone d'appauvrissement analogue existe au-dessous du transporteur 23d. Quand une telle zone se forme au-dessous du transporteur 23b, la zone existant sous 40 le transporteur 23a disparaît. 71 34590 5 2108053 La charge positive qui était dans la zone d'appauvrissement au-dessous du transporteur 23a tend à devenir le potentiel le plus négatif possible. Dans ce cas, il ne peut pas se déplacer vers la gauche, car le potentiel superficiel au-dessous de la portion épais 5 se de gauche du transporteur 23a n'est pas plus négatif et, en outre, il tend vers zéro. Toutefois, à sa droite, la zone d'appauvris sement au-dessous du transporteur 23b se forme et la charge y est attirée et, au temps T2, elle se trouve au-dessous de la portion mince d'oxyde du transporteur 23b. On déduit cela de la seconde im-10 pulsion de la Pig. 4E qui montre la charge Q le long du dispositif de charge 10 au temps T2. Simultanément, la seconde impulsion de donnée X± se produit et une charge sera donc au-dessous du dispositif 32, ce que l'on note comme étant la première impulsion en Pig. 4E. 15 Au temps T3, une autre impulsion de donnée se produit, que 1' on voit comme première impulsion en Pig. 4F, où la charge Q, est le long du dispositif 10 au temps T3. Egalement à ce temps-là, la seconde impulsion de tension se produit (Fig. 3A) et de ce fait la charge qui était précédemment au-dessous du dispositif 32 est trans 20 férée à la zone au-dessous de la couche mince d'oxyde du transporteur 23a et la charge qui était au-dessous du transporteur 33b est transférée au-dessous de la zone mince du transporteur 23c, comme expliqué précédemment. Ce processus se poursuit comme il est indiqué aux Pig. 4G, 4H, 25 41 et 4J, qui montrent la charge le long du dispositif de charge 10 aux temps respectifs T4, T5, T6 et T7. En se référant à la Fig. 4H, on voit, au temps T5, une charge qui apparaît au-dessous du transporteur final 23e. A l'impulsion suivante, la charge est poussée vers la sortie de la diode Schottky 30 40 formée par une couche métallique 42 placée sur le substrat 12 et produit l'application d'une impulsion de courant Iq à partir de ce dernier. Au temps suivant (Pig. 41), il n'y a pas d'impulsion au-dessous du transporteur 23c et donc pas d'impulsion de sortie Iq appliquée par la couche métallique 40 de la diode. 35 On voit que les signaux appliqués au dispositif d'entrée 32 peuvent être transférés vers la charge dispositif 10 et être détectés à la sortie de la diode 40 comme série d'impulsions de courant 10 qui sont représentées à la Pig. 3D. De cette manière, le dispositif de charge 10 peut être facilement utilisé comme dispositif à 40 retard ou comme registre de décalage, et il est à la portée de 71 34590 6 2108053 l'homme du métier de l'utiliser aussi comme élément logique. Il y a lieu de noter que le dispositif 32 peut être remplacé par tout autre organe ou dispositif susceptible d'introduire des porteurs majeurs dans un substrat, par exemple une diode Schottky, 5 une zone P diffuse ou un faisceau d'électrons; la diode Schottky peut être remplacée par tout dispositif susceptible de détecter des porteurs de minorité, tels qu'une zone P diffuse. 71 34590 7 2108053 RETEND IC AT IONS 1. Dispositif semi-conducteur comprenant un substrat semiconducteur et caractérisé par une couche d'un matériau isolant é-lectriquement, disposé sur ce substrat (12), couche composée d'une 5 série de zones contiguës alternativement d'une première et d'une se conde épaisseur, la première étant plus_grande que la seconde; par une pluralité de couches (22a, 22b, etc) en matière conductrice de l'électricité, chaque couche recouvrant une zone de la première é-paisseur et une zone adjacente de la seconde épaisseur, ces couches 10 en matériau conducteur étant électriquement connectées en premiers (22a, 22c, etc) et en seconds groupes (22b, 22d, etc), les couches du premier groupe étant placées alternativement- par rapport aux cou ch.es du second groupe; le dispositif comportant en outre des organes destinés à appliquer des impulsions de formes d'ondes phasées 15 (Ya, Yb) de façon opposée aux premier et second groupes respectivement, de manière à créer des zones d'appauvrissement dans le substrat semi-conducteur (12); par des moyens (32) servant à engendrer sélectivement des porteurs mineurs dans une zone du substrat semiconducteur (12) adjacente à une première zone de ladite série possé 20 dant la première épaisseur et par des moyens (40) servant à détecter les porteurs de minorité engendrés dans une zone dudit substrat adjacente à la série possédant la seconde épaisseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de matériau isolant est disposée dans une 25 gorge (16) formée dans une couche épaisse (14) de matériau isolant placée sur le substrat (12), les couches de matériaux conducteurs étant électriquement connectées par des conducteurs {24, 26) partiellement disposés sur la couche épaisse (14) dont l'épaisseur est telle qu'en fonctionnement, aucune zone d'appauvrissement ne soit 30 pratiquement formée dans la partie se trouvant au-dessous du substrat semi-conducteur (12) . 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens servant à engendrer sélectivement les porteurs mineurs comprennent un dispositif avalanche 35 (32). 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3 prises séparément, caractérisé par le fait que les moyens servant à engendrer sélectivement les supports mineurs comprennent une diode Schottky (40) . 40 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 71 34590 8 2108053 4 prises séparément, caractérisé par le fait que la seconde épaisseur est comprise entre 800 et 1000 angstroms et que la première épaisseur est plus grande que la seconde d'une valeur comprise entre 100 et 500 angstroms.