Brevet FR2099480A1 — publié le 19720317

i 2099480 La présente invention se rapporte à un réseau de photodétecteurs à semi-conducteurs utilisable particulièrement, mais non exclusivement, comme dispositif de reproduction à semiconducteurs . 5 Dans les réseaux de photodétecteurs à semi-conducteurs à auto-balayage, on forme un photoconducteur à semi-conducteurs à chacun des points d'intersections de deux séries de lignes d'adresses mutuellement orthogonales. Les photodétecteurs à semi-conducteurs utilisés dans ces réseaux sont fabriqués sous 10 forme de circuits intégrés au silicium, mais ils présentent l'inconvénient d'une réponse photo-électrique non uniforme et d'un rapport signal sur bruit du réseau peu satisfaisant. L'apparition de nouvelles technologies des semi-conducteurs, par exemple les techniques du silicium sur saphir (SOS), a 15 permis de mettre au point de nouveaux procédés de fabrication de photodétecteurs à semi-conducteurs de résolution élevée. L'invention a pour but de réaliser un réseau de photodétecteurs à semi-conducteurs comportant à chacun de ses points de croisement un photodétecteur à semi-conducteurs d'un fort 20 pouvoir de résolution. Selon l'invention, le réseau de photodétecteurs à semiconducteurs est caractérisé en ce qu'il comprend un substrat en matière électriquement isolante, une première série de bandes de matière semiconductrice parallèles écartées, l'une de l'autre, 25 formées sur ou dans une grande surface du substrat, et une seconde série de bandes de matière électriquement conductrice parallèles écartées l'une de l'autre qui sont disposées transversalement par rapport aux bandes de la première série, isolées électriquement de celles-ci, et qui forment un photo-30 détecteur à chaque point d'intersection, des bandes des première et seconde séries, l'isolation électrique étant réalisée, à chaque point d'intersection, par une couche de matière diélectrique interposée entre celles des bandes de la première et de la seconde séries qui sont associées. 35 D'autres caractéristiques st avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, et dans lesquels : les figures 1A et 1B sont respectivement une vue en plan et 40 une vue latérale en coupe d'un photo-détecteur à serai-conducteurs ; 71 26527 2 2099480 les figures 2A à 2C représentent schématiquement les différents stades de fonctionnement du photodétecteur à semi-conducteurs selon les figures 1A et 1B, et la figure 3 est une vue en plan schématique d'un réseau de 5 photodétecteurs à semi-conducteurs comportant un photodétecteur à semi-conducteurs selon les figures 1A et 1B, à chacun de ses points d'intersection. En se référant aux figures 1A et 1B, le photodétecteur représenté schématiquement sur ces figures, respectivement suivant une 10 vue en plan et une vue en élévation latérale et en coupe, est sous la forme d'un transistor à effet de champ (PET) du type à appauvrissement. Les électrodes d'entrée 1 et de sortie 2 du FET se trouvent chacune à l'une des extrémités d'une bande 3 de matière semi-conductrice, par exemple d'arséniure de gallium ou de sili-15 cium, formée dans une surface d'un substrat 4 de matière électriquement isolante, par exemple de saphir dans le cas d'une bande de silicium 3 ou, par exemple, d'arséniure de gallium isolant dans le cas d'une bande d'arséniure de gallium 3, par des techniques bien connues. Dans le cas d'une bande de silicium et d'un 20 substrat de saphir 4, le PET serait produit par des techniques SOS connues. Des connexions de contact électriques 1a et 2a sont respectivement fixées aux électrodes d'entrée et de sortie. L'électrode de commande du FET est formée par une bande 5 de matière électriquement conductrice, par exemple d'aluminium, 25 disposée transversalement par rapport à- la -bande semi-conductrice 3. I Une connexion électrique 5a est fixée à l'électrode 5. La bande électriquement conductrice 5 et la bande semi-conductrice 3 sont isolées électriquement entre elles par une couche 6 de matière diélectrique, telle que le bioxyde de silicium, qui joue aussi le 30 rôle de diélectrique de commande. Les figures 2A et 2C représentent schématiquement les différents stades de fonctionnement du photodétecteui" à semiconducteurs selon les figures 1A et 1B. Lorsqu'une tension de polarisation électrique nulle est appliquée à l'électrode de 35 commande 5, il ne se forme pas de couche d'appauvrissement dans la bande semi-conductrice 3, et par conséquent, le FET se trouve dans un état électrique conducteur (figure 2A), c'est-à-dire que le courant passe entre l'électrode d'entrée 1 et l'électrode de sortie 2, Lorsque le photodétecteur n'est pas éclairé,et que 40 1'electrode de commande 5 est polarisée, par la connexion 5a, par 71 26527 3 2099480 une tension électrique telle qu'il se forme une couché d'appauvrissement 7 juste à travers la bande semi-conductrice 3, comme le montre la figure 2B, il ne passe pas de courant entre les électrodes 1 et 2. Ainsi, dans ces conditions, le FET est bloqué. 5 Lorsqu'on éclaire le photodétecteur selon la figure 2B, par un faisceau lumineux désigné par le repère 8,comme le montre la figure 2C, il se forme des paires électron-trou dans la bande semi-conductrice 3 sous l'effet du faisceau lumineux incident Ô. Cela provoque l'accumulation de porteurs minoritaires sous 10 l'électrode 5, ce qui constitue une couche d'inversion 9, comme dans un transistor à silicium et à oxyde métallique fonctionnant suivant un mode d'enrichissement (MOST). A mesure que le nombre de porteurs minoritaires accumulés augmente, la profondeur de la couche d'appauvrissement diminue pour former un trajet de 15 conductibilité électrique entre les électrodes 1 et 2. Ainsi, dans ces conditions, le FET conduira de nouveau et le courant passera donc entre les électrodes d'entrée et de sortie du FET. Le nombre de porteurs minoritaires engendré est proportionnel à l'intensité de la lumière incidente, de sorte que la 20 conductibilité entre les électrodes d'entrée et de sortie dépend également de l'intensité lumineuse. Il y a lieu de noter que les effets de l'éclairement sont cumulatifs et que, par conséquent, la variation d'impédance du photodétecteur dépend de la durée d'exposition, ce qui veut dire 25 que les photodétecteurs décrits sont des photodétecteurs à intégration. Le photodétecteur décrit dans les paragraphes précédents en se référant aux figures 1 et 2 n'est réalisable que par une technologie telle que les techniques SOS, car le substrat 30 électriquement isolant 4 assure l'isolement diélectrique de la bande semi-conductrice 3 et la seule source de porteurs minoritaires est celle qui est engendrée thermiquement ou optiquement dans la bande semi-conductrice. Dans le silicium massif par exemple, où on compte normalement sur des jonctions p-n pour 35 l'isolement, la diffusion isolante est une source toute faite de porteurs minoritaires qui dominerait l'effet désiré. Il est évident que les porteurs minoritaires du photodétecteur produits thermiquement seraient une source de bruit de fond, ce qui constitue, par conséquent, une limite supérieure de la sensibi-40 lité du photodétecteur. 71 26527 4 2099480 La principale application du photodétecteur selon la figure 1 est constituée par des réseaux de photodétecteurs à semiconducteurs à fort pouvoir de résolution que l'on utilise particulièrement, mais non exclusivement, comme dispositifs de 5 reproduction à semi-conducteurs. La figure 3 représente schématiquement, en plan, un agencement possible de ces réseaux de photodétecteurs. En se référant à la figure 3j le réseau de photodétecteurs à semi-conducteurs comprend un substrat électriquement isolant 10, 10 par exemple de saphir, une série de bandes semi-conductrices 11 parallèles et écartées l'une de l'autre, par exemple de silicium formées dans une surface du substrat 10 par des techniques connues et une série de bandes électriquement conductrices 12 parallèles et écartées l'une de l'autre, par exemple des bandes 15 d'aluminium. Les bandes 12 qui sont transversales par rapport aux bandes semi-conductrices 11 et isolées de celles-ci, forment, avec ces bandes semi-conduptrices 11, un photodétecteur 13 à chaque point d'intersection. L'isolation électrique est effectuée, à chaque point d'intersection des bandes 11 et 12, par une couche 20 de matière diélectrique telle que le bioxyde de silicium qui est interposée entre celles des bandes 11 et 12 qui sont respectivement associées. Ainsi, les bandes 11 et 12 constituent des lignes d'adresse coordonnées pour le réseau de coordonnées bidimensionnelles de 25 photodétecteurs 13- Les bandes 11 sont associées chacune avec une rangée séparée de photodétecteurs, et les bandes 12 sont associées chacune avec une colonne séparée de photodétêcteurs. Comme les photodétecteurs 13 sont formés chacun au point d'intersection de deux bandes respectivement semi-conductrice et 30 isolante, le pas entre photodétecteurs de chaque rangée ou colonne pourrait être, avec les techniques de photogravure actuelles, de l'ordre de 12 microns. Cela permettrait, par conséquent, de réaliser des réseaux de photodétecteurs présentant des définitions supérieures à 200 lignes. 35 Le fonctionnement des photodétecteurs 13 ne repose pas sur l'intégration lumineuse, car c'est une combinaison de la tension appliquée et de 1'éclairement qui aboutit à l'état représenté sur la figure 2C. Ainsi, l'accès aux photodétecteurs 13 peut être séquentiel pour des applications à la reproduction et non-40 séquentiel pour des applications à la mise en mémoire. 71 26527 5 2099480 En pratique, on met à la masse l'une des extrémités de chacune des bandes 11. Lorsque l'impédance d'une rangée donnée de photodétecteurs 13 est détectée par sélection de la bande semi-conductrice 11 associée à son autre extrémité, on peut choisir 5 n'importe quel photodétecteur de cette rangée en appliquant une tension d'amplitude appropriée, c'est-à-dire une tension qui produit l'état représenté sur la figure 2B, à une bande appropriée parmi les bandes d'aluminium 12. Tous les photodétecteurs non sélectionnés de cette rangée seront conducteurs, c'est-à-dire 10 dans l'état représenté sur la figure 2A, car ils n'auront pas été appauvris. Ainsi, l'impédance totale de la rangée interrogée de photodétecteurs ne peut varier que sous l'effet d'une variation d'impédance du photodétecteur ou des photodétecteurs choisis, cette variation d'impédance dépendant de l'intensité de 15 1'éclairement appliqué au réseau. Comme la sortie du réseau se présente sous forme d'impédance, le fonctionnement des photodétecteurs 13 peut être très rapide. L'uniformité de la réponse photo-électrique dépendra de plusieurs facteurs, tels que l'uniformité d'épaisseur des bandes 20 semi-conductrices 11 et la mobilité des porteurs. Comme on l'a mentionné plus haut, la production thermique de porteurs constituera une source de bruit, mais, dans un réseau, une autre source serait la photo-conductibilité dans les photo-détecteurs non sélectionnés. Ce dernier effet apparaîtra sous 25 forme de transmodulation entre photodétecteurs. Lorsqu'on utilise le réseau de photodétecteurs à semiconducteurs comme dispositif de reproduction, on projette l'image à détecter sur le réseau, on détecte séquentiellement l'impédance de chaque rangée de photodétecteurs 13 en choisissant la bande 30 associée 11 et, pendant la période de sélection de cette rangée, on accède séquentiellement à chacun des photodétecteurs qui se trouve dans la rangée choisie en appliquant aux bandes 12 une tension d'amplitude appropriée, c'est-à-dire une tension qui produit l'état représenté sur la figure 2B. L'information de 35 brillance de cette bande de l'image projetée qui est associée à la rangée de photodétecteurs sélectionnée provoque des variations d'impédance des photodétecteurs auxquels on a accès, donc la sortie de chaque rangée se présentera sous forme d'un train d'impulsions d'impédance qui représentent l'information de 40 brillance contenue dans la bande associée de l'image projetée. 71 26527 6 2099480 Avec de faibles niveaux d'information de brillance, le bruit engendré mentionné plus haut peut être important et, par conséquent^ influencer la précision de mesure du dispositif de reproduction. Cependant, comme les photodétecteurs ont une fonction d'intégra-5 tion lumineuse, on peut résoudre le problème du bruit en prévoyant un acpès séquentiel aux photodétecteurs de chacune des rangées choisies deux fois pendant la période de sélection des rangées, et en soustrayant l'un de l'autre les deux trains d'impulsions d'impédance résultants, de façon à éliminer le facteur de bruit. 10 II y a lieu de noter, bien entendu, que la période séparant les deux séquences d'accès aux photodétecteurs n'a pas à être limitée par le temps nécessaire pour effectuer une séquence d'accès, la seconde séquence d'accès pouvant commencer, grâce à une synchronisation appropriée, pendant la première séquence d'accès. 15 Cette caractéristique permet donc de modifier la période d'échantillonnage et d'intégration lumineuse, ce qui permet de modifier la sensibilité du dispositif de reproduction. Un avantage d'un réseau qui utilise des bandes de silicium 11 et un substrat de saphir 10 consiste en ce que le saphir est 20 un milieu optiquement transparent, ce qui permet d'éclairer le réseau de l'arrière, c'est-à-dire à travers le saphir. Dans ces conditions, près de 100$ de la lumière disponible seraient utilisés pour engendrer des porteurs dans les bandes de silicium 11. Cela présenterait un avantage important sur les dispositifs 25 reproducteurs en silicium massif, dans lesquels la couche de silicium doit être extrêmement mince pour que l'on puisse effectuer 1'éclairement par derrière. Il y a lieu de noter, bien entendu, que cette facilité s'applique également à toute autre matière optiquement transparente et électriquement isolante utilisée pour 30 constituer le substrat 10. Il va de soi que l'on peut apporter, à la réalisation précédente, de nombreuses modifications de détail sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. 71 26527 7 2099480 REVENDICATIONS 1. Réseau de photodétecteurs à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat en matière électriquement isolante, une première série de bandes parallèles écartées l'une de 5 l'autre en matière semiconductrice formées sur .ou dans une grande surface du substrat, et une seconde série de bandes parallèles écartées l'une de l'autre en matière électriquement conductrice disposées transversalement par rapport aux bandes de la première série, électriquement isolées de celles-ci, et formant un photo-10 détecteur à chaque point d'intersection des bandes des première et seconde séries, l'isolation électrique étant réalisée à chacun desdits points d'intersection par une couche de matière diélectrique interposée entre celles des bandes de la première série et de la seconde série qui sont associées. 15 2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est réalisé en une matière optiquement transparente. 3. Réseau selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière optiquement transparente est du saphir et en ce que les bandes de la première série sont en silicium. 20 4« Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est en arséniure de gallium isolant, et en ce que les bandes de la première série sont en arséniure de gallium. 5. Réseau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bandes de la seconde série, sont en aluminium. 25 6. Réseau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est associé à des moyens d'accès permettant d'accéder aux photodétecteurs du réseau. 7. Réseau selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'accès comprennent des moyens de sélection agencés pour 30 choisir l'une quelconque des bandes de la seconde série et d'y appliquer un potentiel électrique, et des moyens de détection pour choisir l'une quelconque des bandes de la première série, détecter l'impédance de la bande choisie et engendrer une impulsion de sortie représentant cette impédance. 35 Réseau selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de sélection sont agencés pour choisir chacune des bandes de la seconde série et lui appliquer un potentiel électrique selon une séquence prédéterminée au moins une fois pendant la détection de chaque bande de la première série, la sortie des moyens de 40 détection se présentant pour chaque séquence sous forme d'un 71 26527 2099480 train d'impulsions d'impédance. 9. Réseau selon la revendication Ô, caractérisé en ce que l'on sélectionne les bandes de la seconde série et qu'on leur applique un potentiel électrique séquentiellement deux fois 5 pendant la détection de chaque bande de la première série et en ce qu'il comprend des moyens de soustraction pour soustraire l'un de l'autre les deux trains d'impulsions d'impédance obtenus. 10. Réseau selon la revendication 9> caractérisé en ce que les moyens de sélection sont agencés de façon que l'intervalle 10 de temps séparant deux séquences d'accès soit inférieur à la durée de chaque séquence d'accès.