Brevet FR2175572A1 — publié le 19731026

La présente invention concerne un dispositif sem4 Parmi les dispositifs photosensibles du domaine de l'opto- électronique, les photorésistances sont très utilisées en raison de leur caractéristique sensiblement linéaire, leur résistance étant inversement proportionnelle à l'intensité du rayonnement incident à tension d'alimentation constante et le courant y étant proportionnel à la tension, à flux lumineux incident constant. Mais les photorésistances connues ont un temps de réponse très long, comparativement aux autres dispositifs photosensibles comme les diodes ou les phototransistors. D'autre part les photorésistances connues ne sont pas sélectives, leur courbe de sensibilité spectrale est assez étendue et les dispositifs mettant en oeuvre ces photorésistances risquent d'être sensibles à des signaux parasites. Dans le cas où une photorésistance doit commander un dispositif semiconducteur, comme une diode ou un ensemble de diodes électroluminescentes, la plage de sensibilité de la photorésistance comprend le plus souvent la longueur d'onde du rayonnement émis et la photorésistance est influencée par l'émission qutelle doit commander ce qui est un inconvénient rédhibitoire lorsque l'on recherche par exemple un réglage proportionnel.Enfin la courbe de résistance en fonction de l'éclairement n'est pas compatible, dans la plupart des cas, avec une mise en série de la photorésistance et du dispositif électroluminescent qu'elle doit commander, des circuits auxiliaires complexes sont nécessaires et 1'encombrement total devient important, meme lorsqutun seul élément photosensible est utilisé pour un ensemble dtéléments électroluminescents0 La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients signalés ci-dessus et se propose de fournir un dispositif semiconducteur photoconducteur, dont la résistance varie en raison inverse du flux lumineux qu'il reçoit, qui ait une réponse rapide et dont le domaine de sensibilité soit limité à une étroite bande du spectre. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif semiconducteur photoconducteur susceptible d'entre mis directement en série avec un dispositif à jonction électroluminescente en vue de régler l'intensité du courant dans ce dernier en fonction d'un rayonnement incident de longueur d'onde déterminée. Un autre but de l'invention est de permettre la réalisation d'un dispositif électroluminescent dont la luminance soit proportionnelle à 11 éclairement qu' il reçoit de l'ambiance. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif semiconducteur photoconducteur sélectif, monolithique, simple et d'encombrement minimal. On appellera ci-après semi-isolant, un matériau semiconducteur compensé, dans lequel une compensation est due à certains défauts du réseau cristallin, ou obtenue par un dopage adéquat au moyen d'impuretés de niveau d'énergie plus ou moins profond. Cette compensation entratne une résistivité du matériau de l'ordre de 102 à 108 Ù cm. De tels matériaux peuvent se présenter dans l'un ou l'autre type de conductivité suivant que les porteurs majoritaires restants sont des électrons ou des trous. L'invention utilise la propriété de photosensibilité que présente une rgion d'un cristal semiconducteur lorsqu'elle a été traitée pour avoir les caractères d'un semi-isolant. Une telle région voit sa conductance augmenter par absorption des photons d'énergie supérieure à la largeur de la bande d'énergie interdite du matériau, création de paires électrons-trous et collection des porteurs libérés. L'invention utilise d'autre part la propriété d'un matériau semiconducteur, titre absorbant pour un rayonnement de longueur d'onde correspondant à une énergie supérieure à sa largeur de bande d'énergie interdite et autre relativement transparent pour un rayonnement de longueur diode correspondant à une énergie inférieure à cette largeur. Selon l'invention le dispositif semiconducteur monolithique photo sensible comportant une couche de matériau semi-isolant et deux électrodes non redresseuses aménagées aux deux bornes du dispositif est remarquable principalement en ce qu'une seconde couche, de meme type de conductivité que ladite couche de matériau semi-isolant de faible résistivité et faite d'un matériau de largeur de bande d'énergie interdite plus grande que celle dudit matériau semi-isolant, recouvre la surface par laquelle un rayonnement extérieur pénètre dans ladite couche de matériau semi-isolants ladite seconde couche étant insérée électriquement entre une desdites électrodes et ladite couche de matériau semi-isolant. La seconde couche est absorbante pour tout rayonnement d'énergie supérieure à sa largeur de bande d'énergie interdite et transparente pour les photons d'énergie inférieure. Les photons incidents qui peuvent atteindre la couche semi-isolante sont donc les photons d'énergie inférieure à une limite déterminée par le matériau de la seconde couche. Parmi ces photons, ceux qui sont absorbés dans la couche semi-isolante sont les photons d'énergie supérieure à la largeur de bande d'énergie interdite du matériau de cette première couche. Ainsi seuls les photons d'énergie comprise entre les largeurs de bande interdite des matériaux de l'une et de l'autre couche donnent lieu à l'effet de photoconduction et diminuent la résistivité de la couche semi-isolante.Si un élément électroluminescent par exemple est sous tension, en série avec le dispositif, l'intensité du courant peut augmenter dans cet élément qui rayonne alors davantage0On peut obtenir dans ce cas une variation de la luminance d'un dispositif électroluminescent en fonction du flux lumineux reçu par le dispositif photosensible. Lorsque le dispositif photosensible est seulement soumis à l'éclairage ambiant, on peut obtenir de cette façon un contraste constant et une lisibilité optimale du dispositif lumineux comman déO Un tel dispositif est simple, n'exige pas de relais ni de circuits auxiliaires et présente l'encombrement minimal. Le dispositif selon l'invention est sélectif : le choix des matériaux des deux couches permet une sélection du rayonnement actif. La résistance série est effectivement inversement proportionnelle au flux lumineux, d'énergie déterminée, que le dispositif revoit. On sait en effet que la photoconductivité d'un matériau semi-isolant est fonction du nombre de photons reçus et absorbés, et du gain de photoconduction, celui-ci étant défini par le rapport G = T t - T étant la durée de vie moyenne des porteurs libérés, - t étant le temps de collection0 Dans la plupart des cas de controle d'un élément électroluminescent, il est avantageux que le matériau de la couche superficielle absorbante du dispositif photo sensible soit le meme que le matériau de l'élément électroluminescent ou un matériau de largeur de bande d'énergie interdite immédiatement inférieure, de façon que cette couche soit effectivement opaque au rayonnement émise L'épaisseur de la couche photoconductrice est déterminée en fonction de la résistance série maximale admissible pour le dispositif, en l'absence de rayonnement incident, compte tenu de la surface de la couche et de la résistivité du matériau compensé; cette résistivité est elle-meme fonction du taux de compensation du matériau, de meme que le coefficient d'absorption de cette couche qui, compte tenu de son épaisseur, détermine le nombre des photons absorbés et susceptibles de créer les paires électrons-trous qui augmentent la conduction de la couche en fonction du rayonnement reçu. Dans une forme préférentielle de mise en oeuvre de l'invention, la différence de largeur de bande d'énergie interdite entre le matériau constituant la première couche, semi-isolante, et le matériau constituant la seconde couche absorbante jouant le role de filtre, est due à une différence de concentration d'un des composants de ces matériaux, de meme système cristallin et de paramètres cristallins différents mais voisins, les réseaux cristallins étant ainsi compatibles.L'arséniure de gallium et d'aluminium est un exemple de ces matériaux composés, dont il est possible d'effectuer des dépits épitaxiques de largeur de bande d'énergie interdite ajustable entre celle de l'arséniure de gallium,utilisé comme un substrat par exemple, et celle de l'arséniure d'aluminium, grace à un contrôle de la concentration en aluminium au cours de l'opération de déport. Dans certains cas, il est nécessaire, pour réaliser un dispositif monolithique comportant deux matériaux de largeurs de bande d'énergie interdite différentes et de réseaux cristallins plus compatibles, d'effectuer le dépit épitaxique d'un matériau sur l'autre en interposant une couche intermédiaire dite couche tampon dont la composition varie progressivement dans le sens de l'épaisseur des couches. Cette couche tampon peut avantageusement comprendre en totalité ou en partie la couche filtre qui recouvre la couche semiisolante photoconductrice; cette couche tampon peut également comprendre en totalité ou en partie la couche semi-isolante, celle-ci se situant à un niveau de largeur de bande interdite plus faible que celui de la couche filtre. L'ensemble des deux couches superposées du dispositif peut ne pas constituer un volume solide capable d'assurer une tenue mécanique suffisante. Un substrat est alors nécessaire et le dispositif comprend alors : une électrode, une couche absorbante jouant le roule de filtre, une couche semi-isolante photoconductrice et un substrat semiconducteur, de même type de conductivité que les deux couches, de faible résistivité et d'épaisseur suffisante constituant la seconde électrode. La couche semi-isolante est obtenue par diffusion superficielle dans le substrat ou par déptt épitaxique sur le substrat0 La couche filtre est obtenue par dépit épitaxique sur la première couche0 L'épaisseur de cette couche filtre est déterminée d'après son coefficient d'absorption pour les rayonnements à éliminer.De préférence l'épaisseur de cette couche est au moins égale à trois fois la distance d'absorption 1 correspondant à un affaiblissement de l'intensité du rayonnehent incident indésirable dans le rapport le , en particulier du rayonnement d'énergie supérieure à celle de la plage de sensibilité voulue de la couche photosensible, La première électrode doit laisser passer le rayonnement devant exciter la couche photoconductrice, et doit etre dans ce but soit transparente, soit lacunaire. Dans ce dernier cas, elle est constituée par un anneau, un peigne ou une grille, métallique, déposé sur la surface extérieure de la couche filtre. La seconde électrode, agencée sur la couche semi-isolante ou sur le substrat peut Btre déposée, par exemple par évaporation sous vide sur toute la surface disponible. Avantageusément une mince couche de matériau semiconducteur fortement dopé, de meme type de conductivité que la couche semi-isolante, est interposée entre cette dernière et une électrode métallique de façon à assurer un contact non redresseur. Les matériaux utilisés pour la réalisation du dispositif sont choisis en fonction des plages de longueur d'ande des rayonnements pris en considération. Dans le cas de rayonnements visibles ou d'infra-rouges proches, on utilise avantageusement les composés semiconducteurs binaires ou ternaires comprenant au moins un élément de la colonne III de la classification périodique des éléments et au moins un élément de la colonne V. En particulier les composés de gallium, aluminium, indium d'une part, phosphore,arsenic d'autre part, permettent de réaliser des dispositifs selon l'inventiox, par un dépôt épitaxique d'un composé ternaire sur un composé binaire de largeur de bande d'énergie interdite plus faible. La surface du dispositif photosensible selon l'invention peut Qtre plane ou affecter la forme d'un dioptre convexe, par exemple sphérique, dans le but d'assurer une concentration du rayonnement incident sur la couche photosensible. Il est parfois avantageux qu'une optique, extérieure au dispositif fasse converger sur la couche photosensible un flux plus important de photons ou forme au niveau de cette couche une image d'une source de rayonnement. Dans certains cas un faisceau de fibres optiques est utilisé pour canaliser un rayonnement dans la direction de la couche photosensible. Les procédés de réalisation des différentes variantes du dispositif sont empruntés aux techniques habituelles : photogravure, diffusion, épitaxie. La couche qui doit Qtre semi-isolante et photo-sensible peut etre obtenue par compensation, par exemple dans le cas d'un substrat en arséniure de gallium, une couche photo sensible peut Qtre obtenue par dopage au cuivre, ou au fer, nickel, manganèse ou cobalt permettant d'atteindre des résistivités de l'ordre de 102 n cm à 105 X cm ou par dopage au chrome ou à lto2ygène permettant d'atteindre des résistivités de l'ordre de 108 a cm, en fonction du choix de la nature et de la concentration en matière dopante. Dans le cas dtun substrat en silicium, un dopage à l'or ou au platine peut donner des résistivités élevées de cet ordre. L'invention est applicable dans les cas ou une photo-résistance sélective est nécessaire. En particulier l'invention trouve son application quand un dispositif lumineux, dont la luminosité dépend du courant qui le traverse, doit etre contrglé par un rayonnement de longueur d'onde différente de celle de la lumière qu'il émet et que ce contrôle ne doit pas être perturbé par l'émis- sion du dispositif lui-mme. L'invention trouve une application avantageuse dans le cas du contrôle de la luminance d'éléments électroluminescents notamment dans les cas de contrôle du contraste d'éléments d'affichage électroluminescents en fonction d'un éclairage ambiant variable. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples, fera bien comprendre comment l'inven- tion peut etre réalisée. La figure 1 est une coupe schématique d'une première forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est un diagramme de niveaux d'énergie d'un ensemble de couches formant un dispositif photosensible selon l'in- vention. La figure 3 est un diagramme montrant le spectre d'énergie d'un rayonnement atteignant le dispositif. La figure 4 est une coupe schématique d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 5 est une coupe schématique d'un dispositif photosensible associé à une diode électroluminescente. Le dispositif représenté sur la figure 1 est formé d'un substrat 1, semiconducteur de faible résistivité, de type de conductivité p ou nO Le substrat 1 supporte d'un cSté,- une électrode métallique non redresseuse 2 et sur le côté opposé, un ensemble de deux couches, une première couche 3 semi-isolante, photoconductrice et une seconde couche 4, de faible résistivité,les deux couches étant de m8me type de conductivité que le substrat et le matériau de la couche 4 ayant une largeur de bande d'énergie interdite plus grande que celle du matériau de la couche 3. Une électrode métallique 5, en forme d'anneau, est agencée sur la surface extérieure de la couche 4. La partie du rayonnement 6 atteignant la surface du dispositif et d'une énergie supérieure à la largeur de bande d'énergie interdite du matériau de la couche 4, est arrêtée par cette dernière dont ltépaisseur est égale à trois fois la distance d'absorption pour cette partie du spectre. La partie de ce rayonnement d'énergie comprise entre les largeurs de bande d'énergie interdite des matériaux des couches 4 et 3,est, au moins en partie, absorbée dans la couche 3 dont l'épaisseur est par exemple au moins égale au tiers de la distance d'absorption pour cette partie du spectre. La courbe A de la figure 2 donne un diagramme des largeurs de bande d'énergie interdite en fonction de la profondeur, à partir de la surface du dispositif. Sur cette meme figure une coupe permet de repérer les différentes couches du dispositif.Sur ce diagramme et sur cette coupe il n'a pas été tenu compte des proportions relatives des épaisseurs des différentes couches0 On constate sur ce diagramme que , Eo correspondant au niveau de la bande de valence du matériau, la largeur de bande d'énergie interdite passe de t -20 à E -E entre la couche 4 et la couche 3. Ceci peut etre obtenu en choisissant pour les couches 3 et 4 des matériaux composés dont la concentration d'un des composants est différente de l'une à l'autre. Par exemple, la couche 3 est en arséniure de gallium, et la couche 4 en arséniure de gallium et d'aluminium.Dans un autre exemple, le substrat 1 est en arséniure de gallium et la couche 4 est en arséniure phosphure de gallium GaAsO 6Po 4 au voisinage de la surface, la concentration en phosphure variant progressivement entre les deux dans le matériau des couches 3 et 4. La courbe représentant la variation de la largeur de bande d'énergie interdite est alors analogue à la courbe B. On constate que la couche tampon comprend une partie de la couche 4 et une partie de la couche 3. Le diagramme représenté sur la figure 3 donne un exemple de spectre d'un rayonnement du genre lumière blanche éclairage am- biant, indiquant la courbe C du nombre de photons reçus par le dispositif en fonction de l'énergie de ces photons. Les photons d'énergie supérieure à E4 = El-Eo sont absorbés par la couche 4; parmi les photons restants (courbe F), ceux d'énergie supérieure à E5 peuvent & re absorbés par la couche photosensible 3. La courbe du nombre des photons absorbés dans cette dernière couche en fonction de l'énergie de ces photons est la courbe D. Le dispositif représenté sur la figure 4 comporte un substrat 10, semiconducteur de faible résistivité, jouant le roule de couche filtre, Sur ce substrat 10 est agencée une première électrode 11, une couche semi-isolante photoconductrice 12, de même type de conductivité que le substrat et sur cette couche 12, est agencée une seconde électrode 13.Le matériau du substrat a une largeur de bande d'énergie interdite supérieure à celle du matériau de la couche 12. Le substrat 10 a une forme sphérique et constitue une optique du type dit sphère de Weierstrass dont le rôle est de faire converger sur la couche 12, 1e rayonnement 14 qu'il reçoit et pour lequel il est transparent, en évitant les pertes par réflexion. Eventuellement, une mince couche de matériau semiconducteur très dopé est interposée entre la couche 12 et l'électrode 13 pour assurer un bon contact ohmique, non redresseur. Le dispositif selon l'invention s'applique en particulier au contrale de la luminance des affichages électroluminescents, en fonction de la lumière ambiante. Un élément photo sensible analogue au dispositif représenté sur la figure 1 est par exemple disposé dans un bottier enfermant par ailleurs un ou plusieurs éléments luminescents. Ainsi le dispositif électroluminescent représenté sur la figure 5 comprend un élément photosensible 21 qui est fabriqué à partir d'un cristal semiconducteur, servant de substrat 23. Ce substrat 23 est en arséniure de gallium, de type n. Sur ce substrat a été déposée une couche mince 22, d'arséniure de gallium compensé au cuivre, de très faible épaisseur, puis une couche 31 de type n, de faible épaisseur comportant en outre une certaine proportion de phosphure de gallium, proportion augmentant à partir de la couche 22 jusqu'à la surface, par exemple de O à xl = 35 %; un élément électroluminescent 20 est constitué par un substrat 24 d'arséniure phosphure de gallium avec x2 = 40 fio de phosphure, de type n, constituant une région dans laquelle est diffusée une région 29 de type p, qui forme ainsi avec la région 24 une jonction électroluminescente. Sur la face externe de la région 29 est déposée une électrode métallique 26, en forme d'anneau et sur la face externe de la couche 31 est déposée une couche conductrice transparente 30. Des électrodes 25 et 15 sont interposées entre les éléments et un support isolant 40. Un conducteur 17 relie l'électrode 25 à l'électrode 30 et un conducteur 28 relie 11 électrode 26 à une plage métallique 18 déposée sur le support 40. L'ensemble est disposé dans un boftier 19 dont la face vue par les couches 29 et 31 est transparente. Si un rayonnement 16 est envoyé sur le dispositif, une partie au moins de ce rayonnement traverse le bottier 19, l'électrode 30 et la couche 31 et atteint la couche 22, en rendant celle-ci plus a conductrice Grace à l'alimentation du dispositif sous faible ten- sion, des électrons sont collectés vers la couche 31 et un courant traverse la jonction électroluminescente, ce courant étant fonction du gain de photoconduction de la couche 22. Lorsque l'intensité du rayonnement 16 varie, la photoconduction de la couche 22 varie dans le même sens, et en conséquence le courant traversant la jonction et la luminance de celle-ci varient également proportionnellement : l'intensité du rayonnement émis 27 est contrôlée par 11 éclairement reçu par le dispositif. En outre, la lumière émise par l'élément 20 n'influence pas la couche 22, meme si des réflexions peuvent se produire sur le bottier l9e Une photorésistance selon l'invention peut être réalisée par le procédé suivant, donné à titre d'exemple. Une plaquette d'arséniure de gallium dopée au tellure avec une concentration de 5e1017 atomes par cm3, lui donnant le type + n est introduite dans un réacteur d'épitaxie et on procède à un dépit d'une couche d'arséniure de gallium de 10 microns d'épaisseur compensée au chrome, ayant une résistivité de 104 ohm cm. On dépose ensuite, par épitaxie en phase vapeur sur la couche compensée, de l'arséniure d'aluminium et de gallium de formule GaAslL1, , avec x = 0,4 sur une épaisseur de 30 microns; du-tellure est ajouté pendant le dépit comme dopant, avec une concentration de 1017 à 1018 atomes par cm3 donnant le type n+. Une électrode annulaire d'aluminium est ensuite déposée sur la surface de ltarséniure phosphure de gallium et la face opposée de la plaquette est recouverte d'une couche d'étain déposée par évaporation sous vide. - RETIENDICATIONS 1.- Dispositif semiconducteur photosensible monolithique comportant une couche de matériau semi-isolant et deux électrodes non redresseuses aménagées aux deux bornes du dispositif caractérisé en ce que une seconde couche, de meme type de conductivité que ladite couche de matériau semi-isolant, de faible résistivité, laite d'un matériau de largeur de bande d'énergie interdite plus grande que celle dudit matériau semi-isolant recouvre la surface par laquelle un rayonnement extérieur pénètre dans ladite couche de matériau semi-isolant, ladite seconde couche étant insérée électriquement entre une desdites électrodes et ladite couche de matériau semi-isolant. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche semi-isolante et le matériau constituant la seconde couche ont des concentrations différentes de l'un de leurs composants communs et cristallisent dans un meme système avec des paramètres cristallins compatibleso 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'unie partie au moins de la couche absorbante est comprise dans une couche tampon où la concentration dudit composant varie progressivement à partir de sa valeur dans la couche adjacente, 4.- Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce qu'une partie au moins de la couche semi-isolante est comprise dans une couche tampon où la concentration dudit composant varie progressivement entre'ses valeursde part et d'autre de cette couche tampon. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les deux couches sont supportées par un substrat semiconducteur de meme type de conductivité, de faible résistivité, constituant une des électrodes. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode voisine de la couche semi-isolante est formée d'une mince couche de matériau semiconducteur fortement dopé de meme type de conductivité que la couche semi-isolante, et d'une électrode métallique déposée. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche filtre est au moins égale à trois fois la distance d'absorption d , oc étant le coefficient 0 8.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est constitué de matériaux composés d'au moins un élément pris dans un groupe comprenant le gallium, l'indium, l'aluminium et d'au moins un élément pris dans le groupe comprenant l'arsenic, le phosphore. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau de la couche photosensible est un semiconducteur III-V compensésla compensation étant due à l'ad- dition d'un élément pris dans le groupe comprenant le cuivre, le fer, le nickel, le cobalt, le manganèse, le chrome, l'oxygène. 10.- Ensemble électroluminescent comprenant au moins un élément à jonction électroluminescente et un élément semiconducteur sensible à la lumière, fixés sur une embase commune et enfermés dans un bottier commun, caractérisé en ce que l'élément sensible à la lumière est un dispositif photosensible conforme à l'une des revendications 1 à 9. 11.- Dispositif d'affichage électroluminescent à luminance contrée par ltéclairement de l'ambiance selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif photosensible conforme à l'une des revendications 1 à 9 et sensible à l'infrå- rouge,