Brevet FR2130256A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne tin dispositif image à semi-conducteur. On tente beaucoup de développer des dispositifs images plans et linéaires comportant uniquement des organes à état 5 solide pour remplacer les dispositifs actuels utilisant un faisceau électronique comme organe de balayage. Récemment, une nouvelle forme de dispositif mémoire d'information à semi-conducteur a été proposée qui, dans une forme de réalisation, permet la fabrication économique de tels dispositifs images. 10 Le principe sur lequel sont basés ces dispositifs mémoires est connu comme étant le concept du dispositif à transfert de charge. (Voir, par exemple, l'article de Tompsett et al, intitulé "Charge Coupled 8-Bit Shift Register", paru dans "Applied Physics Letters",volume 17, n° 3, pages 111-115). En 15 bref, ce concept est celui de la constatation que l'information se présentant sous la forme de porteurs de charges peut être déplacée dans une matière semi-conductrice, par exemple, en polarisant successivement une rangée d'électrodes constituant des dispositifs métal-diélectrique-semi-conducteur que l'on appelle-20 ra par la suite dispositifs MIS. Le transfert de charge se produit en créant successivement dans la matière semi-conductrice, des puits de potentiel (par exemple, des régions de déplétion ou d'appauvrissement) dans lesquels les porteurs de charges se trouvent attirés. Les porteurs de charges peuvent être engendrés 25 de nombreuses manières. Un procédé consiste à engendrer des paires trou-électron dans la matière par absorption de photons. Les porteurs minoritaires sont alors attirés dans les puits de potentiel formés sous les électrodes polarisées. Il a dès lors été suggéré que le concept du dispo-30 sitif à transfert de charge peut être utilisé dans un dispositif image comprenant essentiellement un réseau de dispositifs MIS dans lequel des porteurs minoritaires sont formés proportionnellement à la lumière incidente et sont extraits simplement en polarisant séquentiellement les électrodes métalliques. 35 Une des difficultés qui accompagnent l'utilisation du dispositif proposé est que celui-ci se caractérise par ion manque de pouvoir de résolution élevé. Comme la lumière est continuellement incidente sur le réseau de dispositifs MIS, des porteurs minoritaires se trouvent introduits dans les puits de 40 potentiel formés sous les électrodes pendant la phase de lecture^ 72 08977 2 2130256 produisant ainsi un effacement de l'image. L'invention a donc pour objet principal un dispositif image simple à fabriquer, qui est doté d'une sensibilité élevée à la lumière et qui ne présente pas les problèmes d'effa-5 cernent que l'on rencontre habituellement dans les dispositifs à transfert de charge. Le dispositif selon l'invention comprend un milieu d'accumulation de charge, une couche isolante couvrant au moins une partie d'une surface du milieu d'accumulation de charge, un 10 premier réseau d'électrodes métalliques formées sur la couche isolante, un moyen pour projeter une image sur une surface du milieu d'accumulation de charge afin d'y former des porteurs de charges, et des moyens pour polariser le premier réseau d'électrodes en sorte de collecter des porteurs de charges dans le 15 milieu d'accumulation de charge en dessous des électrodes proportionnellement à la lumière incidente sur ledit milieu. Un second réseau d'électrodes métalliques se trouve formé sur la couche isolante, au-dessus d'une zone du milieu d'accumulation de charge contiguë à celle se trouvant sous le premier réseau 20 d'électrodes; un moyen est prévu pour protéger le second réseau d'électrodes de la lumière incidente ainsi que des moyens pour polariser séquentiellement les électrodes des deux réseaux en sorte que des porteurs de charges se trouvent transférés de dessous le premier réseau d'électrodes vers la région située sous 25 le second réseau d'électrodes, des moyens pour polariser le second réseau d'électrodes en sorte d'accumuler des porteurs de charges dans le milieu d'accumulation sous les électrodes du second réseau, et des moyens pour extraire les porteurs de charges accumulés qui se trouvent transférés par le second réseau d'élec 30 trodes. On verra que le dispositif selon l'invention peut comprendre deux réseaux de dispositifs MIS, l'un fonctionnant comme réseau d'écriture optique et l'autre fonctionnant comme réseau d'accumulation et d'extraction. Des porteurs de charges 35 se trouvent formés dans des puits de potentiel sous les électrodes métalliques du réseau d'écriture proportionnellement à la lumière incidente. Cette information se trouve rapidement transférée vers la zone située sous les électrodes du réseau d'accumulation et d'extraction,qui est protégée de toute lumière. L'in-40 formation peut alors être extraite de ce dernier réseau sans 3 72 08977 2130256 qu'il se produise d'effacement de l'information optique. Le dispositif comprend un moyen pour empêcher le couplage croisé et pour maintenir le rendement de transfert pendant les opérations de transfert. 5 L'invention apparaîtra plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints sur lesquels : - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques d'une colonne selon une forme de réalisation de l'invention,illustrant le fonc= 10 tionnement du dispositif; - la figure 4 est line vue en plan d'un dispositif isage plan suivant une forme de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe transversale du dispositif image plan de la figure 4 prise suivant le plan X-X; 15 - la figure 6 est une vue schématique en plan d'un dispositif image linéaire suivant une autre forme de réalisation de l'invention. La structure fondamentale et le fonctionnement du dispositif image plan sont illustrés sur les figures 1 à 3 tan-20 dis que la figure 4 est une vue en plan du réseau entier. Pour simplifier les dessins, le réseau d'écriture est représenté comme comportant quatre fois six éléments seulement. 11 est bien évident cependant que les principes de l'invention peuvent être étendus à des réseaux beaucoup plus grands. 25 La figure 1 montre une masse semi-conductrice 10 qui peut, par exemple, être constituée de silicium de type n. Sur la surface de cette masse se trouve une couche diélectrique 11 qui peut, par exemple, être constituée de bioxyde de silicium. Sur le dessus de cette couche diélectrique se trouve une 30 série d'électrodes métalliques 12a-d, 13a-d, I4a-d et 15. Dans la disposition représentée à la figure 1, ces électrodes forment une colonne de dispositifs MIS dans le dispositif image plan. L'image d'un objet tel que 30 se trouve projetée sur la surface de la masse semi-conductrice, opposée à celle sur 35 laquelle se trouvent disposées les électrodes, par l'intermédiaire d'une source lumineuse 16 et d'une lentille 29. Une partie de cette surface est protégée de la lumière incidente par un moyen approprié tel qu'un écran opaque 17. Le moyen réel utilisé pour protéger cette surface est sans importance. Le disposi-40 tif peut par conséquent être considéré comme étant divisé en 72 08977 " 2130256 deux parties. Les six premières électrodes forment une colonne du réseau d'écriture et les sept autres électrodes forment une colonne du réseau d'accumulation et d'extraction, comme on va le décrire plus loin. On remarquera que l'image peut également 5 être projetée sur la face de la masse semi-conductrice, comportant les électrodes, car ces électrodes peuvent être transparentes . Dans la partie écriture, les électrodes 12a et 12b se trouvent connectées à un circuit de conduction , les élec-10 trodes 13a et 13b sont connectées à un circuit de conduction A2, et les électrodes 14a et 14b sont connectées à un circuit ds conduction A^ afin de déterminer un système de transfert de charge à trois phases- D'une manière similaire, chaque troisième électrode de la partie accumulation et extraction se trouve 15 connectée à un des circuits de conduction , B^ et B^, à l'exception de l'électrode 15 qui se trouve connectée au circuit de conduction . Des impulsions d'horloge sont appliquées à chacun de ces circuits de conduction afin de polariser séquentiellement les électrodes comme il sera expliqué plus loin. Des 20 moyens sont prévus pour permettre aux électrodes correspondantes des deux parties (par exemple 12a, 12b, 12c et 12d) de recevoir simultanément des impulsions à certains instants. Ces moyens sont représentés schématiquement sur la figure 1 par les commutateurs 18, 19 et 20. Afin d'extraire l'information, des 25 moyens sont également prévus pour connecter le circuit de conduction C^ au circuit , ces moyens étant représentés, à titre d'exemple, par le commutateur 21. Le fonctionnement du dispositif peut être décrit en examinant d'abord la séquence des stades illustrés par les 30 figures 1 à 3. Sur la figure 1, une impulsion se trouve appliquée aux électrodes 13a et 13b par l'intermédiaire du circuit de conduction Ag afin de former des puits de potentiel dans le semi-conducteur 10, sous les électrodes. La lumière incidente engendre des paires trou-électron dans le semi-conducteur et 35 des porteurs de charges minoritaires diffusent vers le minimum de potentiel le plus proche. Les porteurs de charges minoritaires, symbolisés par les signes "+" sur le dessin, qui se sont trouvés capturés dans chaque puits de potentiel, mesurent par conséquent l'intensité de la lumière irradiant la surface du 40 semi-conducteur dans la région couverte par chaque ensemble de 72 08977 2130256 trois électrodes (12a, 13a, 14a et 12b, 13b, 14b, respectivement). Conformément au concept de transfert de charge, ces paquets de charges peuvent être déplacés à travers le semi-con-5 ducteur en appliquant séquentiellement des impulsions aux électrodes et en formant de la sorte des puits de potentiel successifs dans lesquels se trouvent capturées les charges. Les circuits de conduction correspondants de la partie écriture et de la partie accumulation-extraction du dispositif sont par con-10 séquent connectés ensemble et une impulsion se trouve appliquée séquentiellement aux circuits , Ag et A^ à une cadence rapide afin de déplacer des charges rapidement de la partie écriture vers la partie accumulation-extraction. Au stade illustré par la figure 2, les paquets de charges se trouvent sous les électro-15 des 13c et 13d où ils sont accumulés. Le transfert rapide a empêché tout effacement sensible et comme la partie accumulation-extraction est protégée de la lumière, la charge peut être extraite à une cadence plus lente sans collecte supplémentaire quelconque de porteurs minoritaires. 20 Afin d'extraire l'information de la partie accumu- lation-extraction, les circuits de conduction des deux parties du dispositif se trouvent déconnectés. Cela permet aux circuits , B2 et Bj de recevoir des impulsions pendant que le circuit A2 continue à recevoir des impulsions en manière telle que l'in-25 formation dans la partie accumulation-extraction soit extraite tandis que la partie écriture continue à recevoir de l'information. Pendant la phase d'extraction, le circuit C^ doit être connecté au circuit B^, par exemple par fermeture du commutateur 21, en sorte que la charge puisse être transférée vers la 30 zone située sous la dernière électrode. Au stade illustré par la figure 3, les circuits de conduction ont reçu des impulsions dans l'ordre en sorte telle que le premier paquet de charges se soit trouvé transféré vers la zone située sous l'éleo-trode 15, tandis que le second paquet de charges se trouve main-35 tenu sous l'électrode 13d. Le premier paquet de charges peut alors être extrait comme on le décrira plus particulièrement en se référant à la figure 4. Le deuxième paquet de charges peut ensuite être transféré vers l'électrode 15 par le même processus. Pendant ce temps, le réseau d'écriture continue à collec-40 ter des charges sous les électrodes 13a et 13b et le processus 72 08977 6 2130256 de transfert et d'extraction se trouve répété. La figure 4 représente le réseau plan formé par quatre colonnes de dispositifs représentés aux figures 1 à 3. Chaque électrode des dispositifs fait partie d'une rangée de 5 quatre organes qui se trouvent connectés en commun à un des circuits de conduction. Sur la figure 4, les interconnexions entre les électrodes dans une rangée ont été partiellement découpées afin de montrer la structure de base du dispositif. Lorsque le circuit A2 reçoit une impulsion, une charge se trouve collectée 10 sous les électrodes appartenant aux deuxième et cinquième rangées du réseau d'écriture. En appliquant ensuite des impulsions aux électrodes de la manière décrite plus haut, la charge se trouve transférée vers la zone située sous les rangées des électrodes d'accumulation connectées au circuit B2 et elles sont en-15 suite extraites ligne par ligne. Le processus d'extraction est exécuté par la rangée d'électrodes 22 dont fait partie l'électrode 15 déjà mentionnée plus haut. Une rangée de paquets de charges se trouve transférée dans la zone située sous cette dernière rangée en appliquant des impulsions aux circuits de conduc-20 tion B.j, B2 et B^ tandis que le circuit C1 se trouve connecté au circuit B^ par l'intermédiaire du commutateur 21. Après découplage du circuit C^, les circuits de conduction de la dernière rangée reçoivent des impulsions dans l'ordre Cg-C^-C^ afin de déplacer la charge latéralement vers un certain étage de sortie » 25 telle que la région 23 constituée d'une matière semi-conductrice diffusée,de type £,dans laquelle la charge peut être détectée par divers procédés bien connus dans le domaine de l'art. Le fonctionnement du dispositif peut par conséquent être décrit d'une manière générale comme étant un procédé de transfert pa-30 rallèle de charge avec extraction série. Comme la charge se trouve transférée ligne par ligne, il est souhaitable de prévoir un certain moyen pour empêcher le couplage de charge d'une colonne d'électrodes à la suivante tandis que l'on forme le réseau d'électrodes aussi dense 35 que possible. Pour ce faire, comme le montre la figure 4, des bandes de métal 24 sont prévues, qui se trouvent disposées sur la matière diélectrique aux bords du dispositif et dans la région située entre les colonnes d'électrodes. La fonction de cette structure peut être perçue plus aisément en se reportant à la 40 figure 5 qui est une vue en coupe transversale suivant le 7 72 08977 2130256 plan X-X sur la figure 4. La rangée d'électrodes représentés® s. la figure 5 a reçu une impulsion et des porteurs minoritaires se trouvent transférés dans la région de la masse du seai-eoaûue= teur située sous les électrodes. Les bandes métalliques 24 sont 5 maintenues à une polarisation négative constante afin de forsGr des régions de déplétion dans la masse du semi-conducteur» r Les bandes de métal polarisées assurent égaleaisa's la fonction de maintenir le rendement du transfert. En pratique, il est souhaitable d'appliquer une polarisation uniforme à tou-15 tes lçs électrodes en sorte de maintenir dans la masse du semiconducteur des régions de déplétion pèu profondes lorsque les électrodes ne reçoivent pas d'impulsions. Le but de cette façon de faire est d'empêcher la recombinaison des charges qui ont été capturées à l'interface du semi-conducteur et du diélectrique. 20 Une recombinaison se produit cependant toujours dans les régions situées juste au-delà du bord de chaque électrode puisque les régions de déplétion formées pour un potentiel de repos sont essentiellement confinées aux zones situées juste en dessous des électrodes. Dans le dispositif image décrit, cela donnerait lieu 25 à un pauvre rendement de transfert et à une perte de charge qui deviendrait appréciable pour des électrodes de petite surface. Les régions de déplétion formées dans ces zones marginales par les bandes de métal éliminent par conséquent cette recombinaison indésirable. 30 La figure 5 illustre également un moyen de former une rangée d'électrodes dans le dispositif image. Après que les bandes de métal 24 aient été formées sur la surface du diélectrique, une matière diélectrique 25 se trouve déposée sur ces bandes. Un métal peut alors être déposé sur la structure résultante 35 afin de former des électrodes telle que 13c ainsi que les interconnexions avec ces électrodes en sorte telle que la rangée d'électrodes puisse être connectée à un des circuits de conduction (B2 dans le cas de la rangée représentée à la figure 5). Il ressort clairement de la description qui précède 40 que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispo 72 03977 2130256 sitif image plan décrit. Bien que le dispositif ait été décrit dans le cas d'un système de transfert de charge à trois phases, on pourrait parfaitement adopter un système de transfert de charge à quatre ou à deux phases. Plusieurs autres moyens sont éga-5 lement disponibles pour empêcher le couplage croisé. Par exemple, dans le cas de silicium de type n, comme dans l'exemple décrit, une protection adéquate pourrait être obtenue en diffusant dans la masse du semi-conducteur entre les électrodes une matière ayant une conductivité de type n+. De plus, le disposi-10 tif peut être conçu en sorte que la première rangée de paquets de charges soit transférée directement du réseau d'écriture vers la dernière rangée d'électrodes (22 sur la figure 4) pour une extraction série, ce qui a pour avantage de maintenir le nombre de rangées d'électrodes à un minimum. 15 Les mêmes principes qui ont été décrits pour un dispositif image plan peuvent être appliqués à un dispositif image liréaire tel que représenté schématiquement à la figure 6. Le réseau d'écriture consiste ici en une seule rangée d'électrodes telle que 26, qui se trouve connectée au circuit de conduc-20 tion . Les interconnexions ont été omises sur cette figure dans un simple but de clarté. Comme précédemment, l'application d'un potentiel de polarisation à cette rangée d'électrodes forme des porteurs minoritaires dans la masse du semi-conducteur proportionnellement à la lumière incidente. La deuxième et la 25 troisième rangée d'électrodes sont protégées de la lumière et peuvent être considérées comme constituant le réseau de transfert et d'extraction. Ces rangées sont connectées aux circuits de conduction D2 et , respectivement. Des bandes de métal 27 sont également prévues pour empêcher le couplage entre colonnes 30 adjacentes et pour maintenir le rendement du transfert. Les paquets de charges se trouvent transférés de la région située sous la première rangée d'électrodes vers la région située sous la troisième rangée par application d'impulsions aux circuits de conduction dans l'ordre Dg-E^-D^. Le circuit D1 est alors 35 maintenu chaud en sorte que la première rangée accumule les charges tandis que les paquets de charges se trouvent extraits sous la troisième rangée. Comme dans le dispositif image plan, la rangée de paquets de charges se trouve extraite en série par application d'impulsions séquentiellement aux circuits E^, E2 72 08977 9 2130256 et Ej jusqu'à ce que toute la charge se trouve transférée dans un étage de sortie, telle que la zone 28 où le signal est détsc» té. Il est clair que le réseau représenté à la figure 6 n'est qu'un exemple non limitatif et que, en pratique, une rangée peut 5 être constituée d'un bien plus grand nombre d'électrodes. Dans un tel cas, la dégénération du signal peut se produire par suite du grand nombre de transferts qui sont nécessaires au cours d'une opération d'extraction série. Pour éviter ce problème, plusieurs zones d'extraction tellesque 28 peuvent être intercalées 10 dans la dernière rangée et les signaux être ensuite combinés. Il faut remarquer que, bien que 1'invention ait été décrite sur base d'une forme de réalisation dans laquelle une matière semi-conductrice est utilisée comme milieu d'accumulation de charge , il a été constaté antérieurement que le concept 15 du transfert de charges est également applicable à des matières qui sont normalement considérées comme isolantes ou semi-isolantes. Comme la substitution d'une telle matière isolante ne change nullement la nature essentielle de l'invention, celle-ci ne se trouve nullement conditionnée par le choix de la matière uti-20 lisée. Les circuits logiques qui peuvent être utilisés pour appliquer des impulsions aux électrodes des dispositifs images plans et linéaires delà manière décrite plus haut sont variés et peuvent être aisément mis au point par l'homme de 25 l'art. Une description de ces circuits n'est par conséquent point nécessaire. 72 08977 10 2130256 REVENDICATIONS 1. Dispositif image à état solide, comprenant vin milieu d'accumulation de charge, une couche isolante couvrant au moins une partie d'une surface du milieu d'accumulation de charge, un premier réseau d'électrodes métalliques formées sur la 5 couche isolante, un moyen pour projeter une image sur une surface du milieu d'accumulation de charge afin d'y former des porteurs de charges, et des moyens pour polariser le premier réseau d'électrodes en sorte de collecter des porteurs de charges dans le milieu d'accumulation de charge en dessous des électro-10 des proportionnellement à la lumière incidente sur ledit milieu, caractérisé en ce qu'il comprend un second réseau d'électrodes métalliques (12c-d, 13c-d, I4c-d, 15) formées sur la couche isolante au dessus d'une zone du milieu d'accumulation de charge contiguë à celle se trouvant sous le premier réseau d'électro-15 des, un moyen (17) pour protéger le second réseau d'électrodes de la lumière incidente, des moyens (A^, A2, A^, , B2, B^, 18> 19, 20) pour polariser séquentiellement les électrodes des deux réseaux en sorte que des porteurs de charges se trouvent transférés de dessous le premier réseau d'électrodes vers la 20 région située sous le second réseau d'électrodes, des moyens (B^, B2, B^) pour polariser le second réseau d'électrodes en sorte d'accumuler des porteurs de charges dans le milieu d'accumulation sous les électrodes du second réseau, et des moyens (C^, C2, C^) pour extraire les porteurs de charges accumulés 25 qui se trouvent transférés par le second réseau d'électrodes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'accumulation de charge comprend un corps de matière semi-conductrice. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-30 tions précédentes, caractérisé en ce que les premier et second réseaux d'électrodes sont agencés en line configuration à deux dimensions. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (24) pour isoler les porteurs de 35 charges situés sous les électrodes appartenant à une colonne des réseaux, des porteurs de charges situés sous les électrodes appartenant aux colonnes adjacentes. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen pour isoler les porteurs de charges com- 72 03977 2130256 prend des bandes (24) de métal disposées sur la couche isolants dans la région comprise entre colonnes adjacentes d'électrodes, et maintenues à une polarisation constante en sorte de former des régions de déplétion dans le milieu d'accumulation. 5 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bandes de métal (24) se trouvent disposées sur la couche isolante dans la région avoisinant les bords desdits réseaux, et sont maintenues à un potentiel de polarisation constant en sorte de former des régions de déplétion dans le corps 10 de ces conducteurs afin d'empêcher la recombinaison d@s charges dans cette région à l'interface du semi-conducteur et do l'isolant . 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second réseau d'électrodes comprend line rangée (22) 15 d'électrodes d'extraction, et en ce que les moyens pour extraire les porteurs de charges accumulés comprennent des moyens ( , C.,, C^) pour polariser séquentiellement les électrodes d'extraction afin de provoquer l'extraction série desdits porteurs de charges. 20 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour polariser séquentiellement les électrodes des premier et second réseaux consistent chacun en un système à trois phases (A^, A2, A^).