Brevet FR2137184A1 — publié le 19721229

La présente invention a pour objet un dispositif à mémoire à accès optique utilisable pour stocker une densité élevée d'informations sous forme binaire. Il existe déjà divers supports d'information à lecture optique. On peut notamment citer la plaque photographique, qui a l'inconvénient de ne pouvoir être utilisée que pour constituer des mémoires mortes. On a également proposé d'utiliser le film photochromique, pour lequel l'écriture et la lecture sont également toutes deux optiques, et on pourra se reporter à ce sujet à RCA Journal of Quantum Electronics Vol. QE5 N° 1 p. 12 (1969) et à l'article de WEITZMANN "Optical Technologies for future computer system design" Computer Design April 1970 p. 169. Mais ce support nécessite une grande énergie de lecture et sa durée de vie est insuffisante. On a enfin tenté d'utiliser le film magnétique (manganèse-bismuth) qui a l'intérêt de ne pas présenter de fatigue et d'avoir une réponse linéaire, mais qui a l'inconvénient d'exiger une énergie d'inscriptélevée.On pourra se reporter à ce sujet à CHEN et al. "Mn-Bi thin films" J.A.P. 39 N° 8 July 69 p. 3916 et à MEZRICH et al. "Curie point writing of magnetics holograms A.P.L. 14 N° 4 Feb. 1969 p. 132. L'invention vise à fournir un dispositif à mémoire à accès optique, au moins à la lecture, répondant mieux que ceux antérieurement envisagés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il élimine ou du moins atténue sensiblement les inconvénients signalés ci-dessus. L'invention propose dans ce but un dispositif à mémoire à accès optique comprenant notamment: - un support semi-conducteur de type P ou N présentant une bande interdite de largeur E£ et un niveau piège intermédiaire , - un ensemble de points mémoire répartis à la surface du support, - des moyens d'écriture permettant de peupler en porteurs majoritaires le niveau piège intermédiaire desditss points mémoire sélectivement à partir de la bande de valence, - des moyens optiques permettant d'illuminer sélectivement les points mémoire, 71 17637 2 2137184 - et des moyens poùr -détecter la réaction de chaque point mémoire lors de son illumination par lesdits moyens optiques. Les points mémoire sont,de préférence, concrétisés par 5 des diodes. Lesdits moyens optiques sont, de préférence, aptes à engendrer des photons sensiblement mono-chromatiques, présentant une énergie comprise entre l'énergie Ed qui sépare le niveau piège du bas de la bande de conduction et l'énergie E£ qui sépare le niveau piège du haut de la bande de valence. 10 Les moyens d'écriture peuvent être optiques (les points mémoire étant illuminés par des photons d'énergie supérieure à la différence entre le niveau piège et le haut de la bande de valence) où électriques (les diodes étant polarisées en direct pour peupler le niveau piège). 15 Si le support semi-conducteur ne comporte qu'un niveau piège, la lecture est destructive de l'information. Dans de nombreux cas cette propriété est inacceptable : Un dispositif tel que défini ci-dessus dans lequel la lecture est non destructive utilise un support constitué d'un matériau 20 semi-conducteur présentant, un second niveau piège, par exemple, un état excité du premier niveau piège, correspondant à une énergie comprise entre le niveau piège et le bas de la bande de conduction: les moyens de lecture peuvent alors comprendre un détecteur de la lumière éventuèllement transmise à travers 25 le support lorsque le point mémoire correspondant est illuminé par des photons d'énergie supérieure à la différence entre, le premier niveau piège et le second niveau piège (mais inférieure à l'énergie d'écriture de façon à éviter que la lecture d'un point mémoire n'y crée une information). 30 Le dispositif défini ci-dessus permet d'atteindre une densité d'informations qui n'est pratiquement limitée que par la précision avec laquelle on peut diriger sur la surface du support le pinceau de lumière destiné à l'écriture et/ou à la lecture. On utilisera généralement comme source 35 de lumière un laser fonctionnant sur la fréquence appropriée, associé à un déflecteur de pinceau lumineux, présentant une 4 puissance de l'ordre de 20 mW pour la lecture, pour 10 points par exemple. 71 17637 3 2137184 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif à mémoire à accès optique et à lecture destructive et d'un dispositif à lecture non destructive constituant une variante du précédent, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme représentant les états d'énergie d'un semiconducteur utilisable pour constituer le dispositif de la figure 2; 10 - la figure 2 est un bloc diagramme montrant les composants d'un dispositif à lecture destructive; - la figure 3 similaire à la figure 1, montre les états d'énergie d'un semiconducteur photosensible utilisable pour constituer le dispositif de la figure 4; 15 - la figure 4, similaire à la figure 2, est un bloc diagramme d'un dispositif à lecture non destructive. Avant de décrire le dispositif illustré en figure 2 il peut être utile de rappeler quelques notions concernant les semiconducteurs présentant un niveau piège. 20 Sur la figure 1 sont représentés le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction constituant les deux bandes d'énergie permise. La bande de conduction correspond à des énergies supérieures à celles de la bande de valence et elle en est séparée par un intervalle d'énergie 25 Eç[ constituant la bande interdite. Si le semiconducteur présente un niveau piège, celui-ci correspond à une énergie intermédiaire entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction» Par la suite on supposera qu'il s'agit d'un piège à électrons (semiconducteur de type N) 30 mais les mêmes indications seraient valables dans le cas d'un piège à trous (semiconducteur P). Si l'on suppose que le niveau piège est plein d'électrons, le nombre d'électrons qui peuvent passer dans la bande de conduction par agitation thermique est donné par la formule: 35 n = N . exp ( - Ed/KT) (1) £ Dans la formule (1), les notations sont les suivantes : 3 n : nombre d'électrons par cm qui passent dans la bande de 71 17637 4 2137184 conduction, rj£ : densité d'états du niveau piège, Ed : énergie séparant le niveau piège du bas de la bande de conduction, 5 KT : énergie thermique dans le semiconducteur. La formule (1) montre que, pour retenir sur le niveau piège les électrons qui y ont été piégés, il faut que Ed soit grand devant KT, ce qui peut se réaliser de deux façons: 10 a) en utilisant un matériau semiconducteur présen tant un niveau piège "profond", c'est-à-dire correspondant à une valeur élevée de E,. d b) en maintenant l'échantillon à basse température pour que KT soit faible. 15 Si l'on souhaite travailler à température proche de l'ambiante, on ne peut jouer que sur le premier paramètre, ce qui interdit d'utiliser les matériaux courants tels que le silicium et le germanium, pour lesquels la bande interdite présente une largeur faible (Eç[ = 0,7 eV dans le germanium 20 et 1,1 eV dans le silicium), ce qui implique que Ed est également petit. Par contre, il existe d'autres matériaux semiconducteurs,en particulier divers composés binaires, présentant une bande interdite plus large. On peut notamment citer le phosphure de gallium dopé à l'oxygène ou au cuivre, 25 dont la largeur de bande interdite Eçj est de 2,26 eV et qui présente un niveau piège profond situé à 0,7 eV au-dessous de la bande de conduction c'est-à-dire pour lequel E^ = 0,7 eV. Un tel matériau permet de stocker des électrons sur le niveau piège et de les y maintenir pendant plusieurs 30 milliers d'heures à la température normale. Comme il a été indiqué plus haut, les mêmes commentaires seraient valables avec un matériau semiconducteur permettant de stocker des trous sur le niveau piège. Le dispositif illustré schématiquement en figure 2 35 comporte un support semiconducteur 10 présentant une large bande interdite (pour laquelle l'énergie Eçj est au moins égale à 2 eV) et un niveau piège profond (c'est-à-dire pour lequel Ed est au moins égal à 0,7eV). Sur ce semiconducteur 10, on réalise une matrice de diodes à barrière de surface ou une 40 matrice de diodes-jonction P-N, qui seront dans la suite, pour plus I ' 71 17637 5 2137184 de simplicité, désignées par le terme "diodes". Les jonctions P-N peuvent être constituées par une technique classique de diffusion et de photogravure ou par implantation ionique. On peut notamment constituer les zones P par diffusion d'une impureté acceptrice, le zinc ou le cadmium dans le cas du phosphure de gallium par exemple. Le dispositif à mémoire comporte également des moyens permettant d'injecter des porteurs majoritaires (électrons dans le cas d'un support semi-conducteur N) pour peupler le niveau piège sélectivement sous chacune des diodes. Le dispositif illustré en figure 2 est prévu pour injecter des électrons par illumination sélective de la diode correspondante par un pinceau lumineux transportant une énergie hv>e ou, en d'autres termes, pour une écriture optique. Le dispositif comporte dans ce but une source monochromatique 14 émettant sur une fréquence telle que l'énergie hve soit supérieure à E£ (différence entre le niveau piège et le haut de la bande de valence). Dans le cas envisagé plus haut du phosphure de gallium, la source 14 sera par exemple constituée par un laser travaillant sur une longueur O d'onde de 51.45 A c'est-d -aire dans le vert (laser à l'argon). Un système déflecteur 16 commandé par un mécanisme de balayage 18 permet d'illuminer sélectivement chacune des diodes ou chaque ensemble de diodes. Au lieu d'une écriture optique, on peut utiliser une écriture électrique: dans ce cas, le support semiconducteur 10 est associé à une matrice d'écriture constitué par un réseau de conducteurs suffisamment minces pour être transparents déposés sur la surface du support semiconducteur, permettant de polariser sélectivement la diode qui doit recevoir l'information en direct sous une différence de potentiel convenable pour peupler ou non le niveau piège. On préfère toutefois un mode d'écriture optique qui permet l'écriture en parallèle d'un grand nombre de points. Quel que soit celui des deux modes d'écriture ci-dessus mentionnés qui est utilisé,. la lecture reste optique. Elle est commandée par une seconde source lumineuse 20 émettant sur-une longueur d'onde telle que l'énergie transportée hv^ soit supérieure à E^. Une seconde condition est à remplir, sauf si des moyens .d'effacement aussitôt après 71 17637 6 2137184 lecture sont prévus: l'énergie hv^ doit être inférieure à E£ pour éviter que l'interrogation d'une diode n'y fasse apparaître une information. Dans le cas envisagé ci-dessus du phosphure de gallium pour lequel Ed = 0,7 eV, on pourra utiliser pour la lecture un laser émettant sur 1,1 y c'est-à-dire dans l'infrarouge. Si la diode illuminée par le pinceau de lecture contient une information, l'énergie du rayon lumineux communiqué aux électrons piégés les font passer dans la bande de conduction. Ces électrons donnent naissance à un courant dans un circuit extérieur à la diode. Si l'écriture est optique (cas illustré en figure 2), le courant peut être recueilli par une couche transparente métallique 21 recouvrant l'ensemble des diodes et présentant avec elles un contact ohmique. Dans le cas contraire, le circuit de mesure est relié à la matrice prévue pour permettre de polariser sélectivement chaque diode en direct. Le circuit extérieur de mesure porté par l'intermédiaire d'une résistance 22 à une polarisation -V (de l'ordre de 10 Volts par exemple) est relié à un appareil 24 de mesure de courant. D'autres méthodes de lecture optique peuvent être envisagées: si en particulier on utilise un support semiconducteur suffisamment mince, on peut détecter la rotation du plan de polarisation du pinceau de lumière de lecture, rotation qui présente une valeur différente suivant que la région traversée par le pinceau comporte un niveau piège vide ou un niveau piège chargé. Les points mémoire peuvent ne pas être des diodes, notamment si la dernière méthode de lecture optique citée ci-dessus est employée. Le dispositif ci-dessus défini présente l'avantage d'être à lecture optique avec faible consommation d'énergie, et de pouvoir être utilisé avec écriture optique. Mais la lecture y est destructive et cette propriété est gênante pour certaines applications. Cet inconvénient est écarté dans le mode de réalisation de la figure 4, qui utilise un matériau semi-conducteur contenant deux niveaux piège, ou de préférence, un niveau piège ayant un état normal et un état excité, solution généralement préférable à l'utilisation d'un matériau' présentant deux niveaux pièges différents, qui donne une moins bonne sensibilité à la lecture. Il doit toutefois être entendu 71 17637 7 2137184 que toutes les indications qui seront données ci-après au sujet d'un matériau semi-conducteur présentant un niveau piège normal et un niveau piège excité sont également valables dans le cas d'un matériau présentant deux niveaux pièges ^ différents. La figure 3 donne le diagramme d'énergie d'un semiconducteur utilisable. Sur cette figure, les notations suivantes sont utilisées : Eç[ : largeur de la bande interdite 10 E£ : énergie séparant le niveau piège du haut de la bande de valence Ei : énergie séparant le niveau piège de l'état excité du niveau piège El_ : énergie séparant l'état excité du niveau 15 piège du bas de la bande de conduction. • Dans ce cas, l'écriture sera effectuée en faisant passer les électrons de la bande de valence au niveau piège en leur apportant line énergie E£. La lecture sera effectuée en amenant les électrons éventuellement retenus au niveau 20 piège à l'état excité, d'où ils reviennent au niveau piège. L'effacement s'effectue en donnant aux électrons occupant le niveau piège une énergie suffisante pour qu'ils passent dans la bande de conduction. Pour que la lecture d'un point mémoire dont le niveau piège est vide ne remplisse pas ce 25 niveau piège, c'est-à-dire n'y inscrive pas une information, et pour que le signal d'effacement ne risque pas non plus d'introduire une information en un point mémoire dont le niveau piège est vide, il est nécessaire de remplir les conditions suivantes: 3 0 E£ > El + Ee Ee > Ei Par ailleurs, pour que l'information se conserve, il est évidemment nécessaire que Ei et Ee soient l'un et l'autre très supérieurs à KT. 35 Ces conditions sont remplies par un certain nombre de semiconducteurs présentant une large bande interdite. Pratiquement, on sera amenés à rechercher les ordres de grandeur suivants : 71 17637 8 2137184 E£ > 2 eV El # 0,8 eV Ee 1 eV ce qui conduit à un semiconducteur dont la largeur de bande interdite est au moins de 4 eV. Le dispositif illustré schématiquement en figure 4 utilise un semiconducteur présentant de te-lles caractéristiques ainsi que des moyens d'écriture, de lecture et d'effacement (ces derniers étant rendus nécessaires par le caractère non destructif de la lecture). Les moyens d'écriture ont encore pour but d'injecter des électrons dans le niveau piège à partir de la bande de valence. Ce résultat est atteint soit en polarisant la diode en direct, soit comme dans le cas de la figure 2 et comme illustré en figure 4, en excitant le matériau semiconducteur avec un pinceau de lumière transportant une énergie hve telle que hve > E£. Si les valeurs de E£, Ei_ et Ee présentent les ordres de grandeur indiqués ci-dessus, les électrons peuvent être retenus sur le niveau piège pendant des durées importantes. Sur la figure 4, où les composants correspondant à ceux de la figure 2 portent le même numéro de référence affecté de l'indice prime, on retrouve un déflecteur de lumière 16' commandé par un dispositif d'adressage 18' qui dévie le pinceau de lumière d'écriture fourni, par une source 14' fournissant des photons d'énergie convenable. On pourra notamment utiliser comme source de lumière monochromatique un laser qui, dans le cas de l'exemple donné plus haut, pourra être un laser à l'argon. Les moyens de lecture représentés en figure 4 utilisant la modification des propriétés d'absorption de la lumière par le matériau contenant un niveau piège ayant un niveau excité, suivant que le niveau piège est peuplé ou non. Pour lire un point mémoire, on envoie sur cêlui-ci un pinceau lumineux dont la longueur d'onde est telle que l'énergie transportée hvl réponde aux conditions: Ei 71 17637 9 2137184 Si des électrons sont retenus sur le niveau piège, ils sont amenés sur le niveau excité sans pouvoir passer dans la bande de conduction. Ils ne peuvent pas demeurer sur le niveau excité et retombent à leur état initial: la lumière d'énergie hv^ est. absorbée par le matériau lors du passage du niveau piège au niveau excité. Les moyens de détection seront constitués par un détecteur de lumière 22 (mosaïque de cristaux scintillateurs associés à des photomultiplicatëurs par exemple) placé derrière le support semiconducteur 10' de faible épaisseur. La sortie du détecteur sera encore recueillie sur une installation de mesure 24' qui alimente les circuits d'utilisation de l'information. Deux cas se présenteront donc lors de la lecture: - si une information a été inscrite, c'est-à-dire si le niveau piège est rempli d'électrons, le pinceau lumineux "de lecture d'énergie provenant de la source 20' fait passer ces électrons sur le niveau piège excité: La lumière est alors absorbée par le matériau semiconducteur 10' et aucun signal n'est fourni par le détecteur 22, - si aucune information n'a au contraire été inscrite c'est-à-dire si le. niveau piège est vide d'électrons lors du passage du pinceau de lumière de lecture sur le point mémoire, il n'y a pas transfert d'électrons d'un niveau à un autre avec absorption d'énergie et un signal est fourni par le détecteur 22. Au lieu de détecter l'absorption ou l'absence d'absorption de la lumière par le support 10', on peut utiliser d'autres méthodes, par exemple basées sur la rotation du plan de polarisation d'un pinceau de lumière polarisée à la traversée du support. Cette rotation est en effet différente suivant que le point mémoire sur lequel est dirigé le pinceau présente des pièges chargés ou au contraire des pièges vides. En d'autres termes on utilise alors un phénomène comparable à l'effet Pockels ou à l'effet Kerr. Pour effacer l'information sans risquer d'inscrire une information sur les points mémoires qui en sont démunis, il suffit d'envoyer successivement sur tous les points mémoires 71 17637 10 2137184 un pinceau de lumière présentant une énergie hv^ répondant à la condition - Ei + Ee ou d'illuminer l'ensemble de la face avant par une telle 5 lumière. On communique ainsi suffisamment d'énergie aux électrons retenus sur le niveau piège pour les faire passer dans la bande de conduction. Ces électrons s'écoulent alors dans le circuit extérieur et l'énergie de la lumière reste insuffisante pour peupler le niveau piège en électrons 10 venant de la bande de valence. La description qui précède montre que l'invention fournit un dispositif à mémoire, à accès optique au moins en ce qui concerne la lecture, l'accès étant optionnellement optique en ce qui concerne l'écriture. Les énergies d'écriture 15 et de lecture peuvent rester très faibles. Le dispositif se prête à l'obtention d'une forte densité de points mémoires, la lecture pouvant être destructive ou non destructive ; Dans le second cas, l'effacement est également optique. Enfin, le dispositif ne présente pas d'effet de fatigue. 20 II va sans dire que 1'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples, mais en couvre toutes les variantes restant dans le cadre des équivalences. 71 17637 11 2137184 REVENDICATIONS 1°) Dispositif à mémoire à accès optique, caractérisé en ce qu'il comprend: - un support semiconducteur de type P ou N présentant une bande interdite de largeur E£ et un niveau piège intermédiaire,- -un ensemble de points mémoire réparties à la surface du support, - des moyens d'écriture permettant de peupler en porteurs majoritaires le niveau piège intermédiaire desdits points mémoire sélectivement à partir de la bande de valence, - des moyens optiques permettant d'illuminer sélectivement les points mémoires, - et des moyens pour détecter la réaction de chaque point mémoire lors de son illumination par lesdits moyens optiques. 2°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit point mémoire est une diode. 3°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit niveau piège est séparé par au moins 0,7 eV de la bande de conduction. 4°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bande interdite présente une largeur E^ d'au moins 2 eV. 5°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'écriture comprennent des moyens d'illumination sélective des points mémoires par des photons d'énergie supérieure à la différence E£ entre le niveau piège et le haut de la bande de valence. 6°) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'écriture comprennent un circuit électrique permettant de polariser en direct sélectivement chacune des diodes. 7°) Dispositif suivant la revendication 1, 2, 3, ou 4, caractérisé en ce que le support est constitué par du phosphure de gallium dopé par du zinc, du cuivre ou de 1'oxygène. 8°) Dispositif à lecture destructive suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection sont constitués par des moyens de mesure 71 17637 12 2137184 du courant traversant la diode lors de son illumination. 9°)Dispositif à lecture non destructive suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le support est constitué d'un matériau semiconducteur présentant également un second niveau piège, correspondant à une énergie comprise entre le premier niveau piège et le bas de la bande de conduction, et en ce que les moyens de lecture comprennent un détecteur de la lumière transmise à travers le point mémoire illuminé par des photons d'énergie supérieure à celle E_i qui sépare le premier niveau piège du second niveau piège mais inférieure à Ejd, et le support. 10°) Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ledit second niveau piège est un état excité du premier. 11°) Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par des moyens d'effacement comprenant une source permettant d'illuminer les points mémoire avec des photons d'énergie inférieure à celle E£ qui sépare le niveau piège et le haut de la bande de valence, mais supérieure à la différence Ed entre le second niveau piège et le bas de la bande de conduction. 12°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications là 11, caractérisé en ce que les sources sont constituées par des lasers associés à des déflecteurs de lumière. 13°) Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que^le semiconducteur ayant une bande interdite Eç[ =2,7 eV et un niveau piège pour lequel Ed = 0,7 eV, les lasers d'écriture et de lecture émettent O respectivement sur 5145 A et 1,1p.