Brevet FR2147815A1 — publié le 19730311

La présente invention concerne un élément récepteur à mémoire de type opto-électronique en matériau semi-conducteur. On sait qu'une des difficultés essentielles ren@intrées dans la réalisation de matrices de points mémoires, provient du nombre démesuré de connexions qu'il faut y adjoindre. i On connaît par exemple les éléments mémoires employés notam ment dans les registres å décalage à transfert de charge et consti tués par une plage métallique reliée à un contact et déposée sur une couche isolante, par exemple en silice, recouvrant une face d'une plaquette semi-conductrice, par exemple en silicium, reliée elle aussi à un contact. En portant la plage métallique à une tension adéquate, on peut créer par induction dans le semi-conducteur une zone désertée des porteurs majoritaires dont la profondeur dépend de la tension ap pliquée. Cette zone désertée a tendance à se charger en porteurs mino Cette Cette Cette charge qui se ferait spontanément après un temps #-##iativement long par génération thermique et par diffusion des porteurs minoritaires à partir de la masse du semi-conducteur, peut entre accélérée en polarisant convenablement une jonction de comman de placée au voisinage. C'est la présence ou l'absence de charges dans cette zone qui constitue l'information en mémoire. De tels éléments mémoires sont, le plus souvent, associés en série pour constituer des registres à décalage, dans lesquels l'in- formation est introduite par une position déterminée dite entrée, mise en place par une séquence de décalages de l'information de po sition en position et recueillie à la sortie par une nouvelle série de décalage. De tels registres à décalage ne peuvent accomplir toutes les fonctions. En particulier, si l'on veut lire un ensemble de compo sants ayant enregistré une information lumineuse (écriture, pelli cule photographique, hologramme, etc...) on doit, par exemple, transmettre le contenu de ces informations en parallèle dans le registre à décalage, par l'intermédiaire de portes associées à cha cun des photorécepteurs. De tels agencements entraînent un certain nombre d'inconvé nients : ils nécessitent un grand nombre de liaisons, ils présen tent des capacités parasites importantes, genantes pour l'intégra- tion dans un registre à décalage à transfert de charge. La réalisa tion sur un meme bloc semi-conducteur, de l'élément photosensible, de la porte et de l'élément mémoire est difficile et compliquée. Un des buts de la présente invention est notamment de pallier ces inconvénients. L'élément lecteur à mémoire de type opto-électronique en matériau semi-conducteur selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte notamment, sur une plaquette monocristalline, au moins une couche superficielle d'un type de conduction déterminé, photosensible au moins sous l'impact de rayonnements d'une longueur d'onde inférieure à un seuil, ladite couche étant recouverte d'une pellicule isolante, translucide pour des rayonnements dont la longueur d'onde est dans une gamme inférieure audit seuil de photoconductivité dudit matériau, et, sur ladite pellicule isolante, au moins une plage au moins légèrement conductrice, translucide pour des rayonnements dont la longueur d'onde est incluse dans ladite gamme, des contact auxquels sont reliées des connexions étant crées, d'une part sur ladite couche superficielle de la plaquette et, d'autre part sur chacune desdites plages conductrices. Dans cet élément, le récepteur photosensible, la porte et le registre mémoire sont confondus, ce qui conduit à une diminution du nombre des connexions, de l'encombrement et à une réduction des capacités parasites. Cet élément est versatile : il peut recevoir l'information de deux manières, d'une part par éclairement avec un faisceau lumineux, et d'autre part par transfert de charge; il peut restituer aussi l'information reçue et la transmettre par transfert de charge. Il peut donc être intégré dans des mosaïques où il remplit successivement la fonction de récepteur et celle d'élément de registre à décalage. Il permet notamment de réaliser des matrices dans lesquelles les données venant d'un composant ayant enregistré une information lumineuse peuvent être reçues simultanément sur un certain nombre de positions d'un registre, puis transmises par décalage d'une position à l'autre de ce registre jusqu'à la sortie de celui-ci. Il permet ainsi d'obtenir un registre à décalage à entrées en parallèle et à sortie en série. L'élément fonctionne de la manière suivante : on applique sur la plage conductrice translucide, une tension d'une valeur adéquate pour obtenir la création d'une zone désertée par les porteurs majoritaires. Si ladite plage conductrice est éclairée par un rayonnement dont la longueur d'onde est située dans la gamme pour laquelle ladite plage et la pellicule isolante sont translucides, ce rayonnement parvient à B zone désertée, où il engendre des paires électrons-trous, les porteurs majoritaires s'éliminent et la zone désertée se charge en porteurs minoritaires. Si donc on envoie, sur ladite plage conductrice translucide, une information, par exemple une information binaire, sous la forme de l'éclairage ou du non éclairage par un faisceau lumineux, celleci est transmise à la zone désertée et apparaît sous forme de la présence ou de l'absence d'une charge importante stockée dans cette zone. Si au contraire on envoie sur ladite plage conductrice une information de type analogique, sous la forme d'un faisceau plus ou moins lumineux, ou sous la forme d'un faisceau lumineux constant appliqué plus ou moins longtemps, cette information apparaît sous la forme de la présence d'une charge plus ou moins importante stockée dans cette zone. La zone désertée chargée ou non peut être maintenue telle quelle, pendant un certain temps, ou être supprimée par modification des tensions appliquées. Ainsi, l'élément proposé, d'une très grande simplicité, effectue à lui seul, la fonction de réception, et celle de mémoire, remplies habituellement par des dispositifs différents. Il évite ainsi un très grand nombre de connexions. Il permet une très grande miniaturisation, une densité d'éléments beaucoup plus importante. Il est facile à fabriquer par les techniques bien connues de la technologie dite MOS (métal oxyde semi-conducteur), et sa fabrication est compatible avec celle des autres dispositifs de cette technologie. La présente invention concerne également l'application de cet élément à la réalisation de matrices de lecture à registre à décalage à transfert de charges constituées par une série d t éléments photorécepteurs à mémoire selon l'invention disposés en colonnes sur le même bloc semi-conducteur, chaque élément récepteur étant séparé du suivant par au moins un élément mémoire à stockage de charge intermédiaire. L'ensemble d'un élément photorécepteur à mémoire et des éléments mémoires à stockage de charge intermédiaires qui l'accompa est gnent / appelé ci-dessous dans ce mémoire, cellule de registre. Avantageusement, chaque cellule de registre comporte à la suite de l'élément photorécepteur à mémoire, deux éléments mémoires consécutifs à stockage de charge, appelés ci-dessous respectivement élément médian et élément aval de la cellule. Préférentiellement, les éléments de stockage de charge ont la même structure que les éléments photorécepteurs à mémoire selon l'invention, l'électrode extérieure des éléments de stockage de charge étant conductrice et translucide. Ceci permet de fabriquer tous les éléments d'un même bloc simultanément. On sait que la lecture des informations d'un registre à décalage, se fait séquentiellement à une extrémité de celui-ci en transmettant successivement au dernier élément du registre les informations contenues dans chacun des éléments qui constituent la décade. On connaît déjà des registres à décalage dans lesquels cette transmission est obtenue par transfert de charges d'un élément à l'autre. Le registre à décalage par transfert de charge selon la présente invention comporte un nombre de connexions faibles, il est facile à réaliser, fiable, rapide. Il permet la sortie d'une information (un bit) pour une fraction de microseconde. La rapidité du systeme est, en fait, fonction de l'amplificateur de lecture. Il permet de se dispenser des portes qui dans les ensembles classiques permettent la sortie séquentielle des informations. Jusqu' présent les mosaîques de lecture comportaient les uns à coté des autres outre les cellules de détection, les circuits électroniques (mémoires et portes) qui prenaient énormément de pla z en eux-mêmes et obligeaient, de plus, à disposer de photographies d'enregistrement de données sur lesquelles beaucoup de place était perdue. L'idéal serait que la mosaïque de lecture n'ait que des cellules de détection. La présente invention constitue un grand pas vers l'obtention de cet idéal. L'électronique de sortie, mémoires et portes, ne tient plus pratiquement de place sur le circuit, les rangées de cellules de registre peuvent être disposées les unes à côté des autres. Ainsi gagne-t-on de la place sur le bloc mémoire. Corrélativement, on peut avoir sur les pellicules photographiques d'enregistrement de données une densité d'information beaucoup plus grande. La matrice selon la présente invention peut notamment être utilisée dans la mise en oeuvre du "Procédé de lecture à sortie d'information série de documents mémoires supportant une information lumineuse", procédé qui fait l'objet de la demande de brevet n0 déposée simultanément par la Demanderesse. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, permettra de mieux comprendre en quoi consiste la présente invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 représente un élément lecteur à mémoire selon la présente invention. La figure 2 représente une partie d'un registre à décalage composé d'éléments selon la présente invention. Sur les trois parties, A, B et C de la figure 2, on a schématisé les zones désertées des porteurs majoritaires lors de l'inscription des données par voie optique dans un photorécepteur à mémoire (figure 2A), lors du décalage par transfert de charge de ces données depuis la mémoire du photorécepteur vers la mémoire de l'élément suivant de la matrice (figure 2B), après l'opération de décalage (figure 2C). Sur la figure 1, on a représenté en 1 le bloc semi-conducteur monocristallin dans lequel 11 élément selon l'invention est réalisé. Dans la description qui va suivre, on attribue à ce bloc le type de conduction N. Il est à remarquer que l'invention est tout aussi réalisable avec un bloc de type P, à condition d'inverser les polarités des tensions appliquées. Le matériau qui constitue ce bloc ou, au moins, la couche supérieure de celui-ci est photoconducteur pour des rayonnements ayant une longueur d'onde inférieure à une longueur d'onde donnée B0. Ce peut être par exemple du silicium dont le seuil est A0 = 1,2 micronmètre. Il est à noter que l'élément selon l'invention peut aussi être réalisé dans une couche épitaxiale déposée sur un substrat. Cette plaquette est recouverte d'nne pellicule isolante 2 d'une épaisseur de l'ordre du micron, translucide pour le rayonnement utilisé. Si le matériau employé est du silicium, cette pellicule peut avantageusement être en silice transparente. Sur la même figure 1, on a représenté en 3 une plage conductrice transparente sur laquelle peut parvenir le faisceau lumineux F1. Dans le cas d'un bloc de silicium et d'une pellicule de silice, on peut utiliser avantageueement une plage de silicium, matériau peu absorbant pour les rayonnements ayant une longueur d'onde inférieure à la valeur de seuil de photosensibilité et voisine de celui-ci. On a représenté aussi en 4 la connexion électrique à la plage 3 et en 5 la connexion électrique au bloc semi-conducteur. Si l'on porte la plage 3 à un potentiel négatif par rapport au potentiel du bloc 1, les charges positives migrent vers la surface du bloc 1 tandis que les charges négatives, porteurs majoritaires, s'en éloignent. On a symbolisé en 6 par une rangée de croix, les charges posi tives induites a la surface du semi-conducteur. Il se crée ainsi une zone déserta en porteurs majoritaires 7 dont on a délimité symboliquement le volume par un pointillé 8. Cette zone déserte se charge en porteurs minoritaires au bout d'un temps relativement long (de l'ordre de la milliseconde) par la suite de la création thermique de paires et par diffusion des porteurs minoritaires. On a représenté par les flèches 9 cette diffusion des porteurs minoritaires, de la masse du bloc semi-conducteur vers la zone désertée. Si, après création de la zone désertée, on éclaire la plage 3 avec un faisceau lumineux F1 d'une longueur d'onde X comprise dans la gamme de longueurs d'onde pour laquelle la plage 3 d'une part et la pellicule 2 d'autre part sont translucides, ladite longueur d'onde X étant inférieure à la valeur du seuil de photoconductivité du matériau du bloc 1, ledit faisceau traverse la plage 3 et la pellicule 2 et, parvenant au matériau 3, il provoque dans celui-ci la création de paires électron-trous qui chargent rapidement en porteurs minoritaires la zone désertée par les porteurs majoritaires. Dans le cas de la figure, il y a stockage des charges positives et élimination des charges négatives. Pour un dispositif constitué par un bloc de silicium, une pellicule de silice et une plage de silicium dopés, on peut employer avantageusement un faisceau lumineux ayant une longueur d'onde de l'ordre du micromètre et pouvant éventuellement être fourni par un laser. On dispose ainsi d'une mémoire, qu'il est possible d'employer soit en régime analogique, soit en régime binaire la présence ou l'absence de faisceau lumineux représentant l'un le zéro l'autre le un et étant traduits respectivement par la présence ou par l'absence d'une charge entre les connexions 4 et 5. Sur la figure 2, on a représenté en 11, une partie d'un bloc semi-conducteur portant une pellicule isolante 12, de caractéristiques analogues à celles du bloc 1 de la figure 1, et deux plages conductrices translucides 13a et 13b portant chacune u#ne connexion désignée respectivement par 14a et 14b. Ce bloc comporte ainsi deux dispositifs élémentaires selon la présente invention repérés par a et b. Pour faire entrer une information lumineuse dans le dispositif a, on relie la connexion 14a à une tension V1 négative par rapport à la tension VO à laquelle est porté le bloc semi-conducteur. Il se crée une zone 17a désertée par les porteurs majoritaires symbolisée figure 2a. On a symbolisé par une rangée de croix 16a les charges positives induites à la surface du bloc semi-conducteur. Une information, par exemple l'information 0 ou 1 est alors inscrite dans l'élément a, suivant que l'on éclaire, ou au contraire, que l'on empêche l'éclairement de la plage translucide 13a de celui-ci par un faisceau lumineux F2 de longueur d'onde adéquate. Si l'élément a a été éclairé, une forte charge est disponible entre 13a et 15; si l'élément a n'a pas été éclairé, la zone désertée en porteurs majoritaires a subsisté, mais la charge électrique positive 16a disponible est faible. Pour décaler sur la position b, elle-même dépourvue d'information, l'information inscrite dans l'élément a, on porte la plage 13b à une tension négative V2 plus éloignée de VO que V1. On crée ainsi un puits de potentiel. Si les éléments a et b sont suffisamment proches l'un de l'autre, les deux zones désertées en porteurs majoritaires 17a et 17b se rejoignent comme il est représenté figure 2b et, en raison du puits de potentiel, les charges positives éventuellement stockées dans l'élément a en 16a glissent dans l'élément b. Elles sont symbolisées en 16b, figure 2b. L'élément b est alors porteur de l'information précédemment stockée en a, l'élément a est libre pour recevoir une information venant de l'élément précédent non représenté sur la figure.On ramène le potentiel de 13a à une valeur voisine de VO et celui de 13b à la valeur V1. La zone de charge d'espace 17a disparaît et la zone de charge d'espace 17b se modifie et prend la forme plus petite représentée figure 2c. On a ainsi fait progresser les charges d'un élément au suivant dans la direction symbolisée par la flèche P. Il est à remarquer que l'on a ainsi par ce transfert, inscrit dans l'élément b de même structure que l'élément a, une information par transfert de charge, ctest-à-dire par un procédé entièrement différent de la photoréception. L'élément selon l'invention peut donc remplir deux fonctions entièrement différentes, celle de photorécepteur à mémoire et celle d'élément de stockage et de transfert de charge, pour lesquelles ses qualités de photoréception n'interviennent pas. On peut donc réaliser avec l'élément selon l'invention des mosaïques qui pourront être câblées en registres dans lesquels des éléments identiques fonctionneront soit comme photorécepteurs, soit comme élément de stockage de charge, soit alternativement d'une manière ou de l'autre. Une telle mosalque comporte l'avantage que tous les dispositifs sont réalisés simultanément. L'élément selon l'invention peut aussi être intégré dans des mosaïques comportant des éléments de stockage de charge réalisés de manière différente, notamment des éléments comportant sur la pellicule isolante une électrode extérieure opaque. En effet la fabrication du dispositif selon l'invention est compatible avec celle des dispositifs fabriqués en technologie M.O.S. Il peut notamment être avantageux de disposer de mosaïques, dans lesquelles chaque élément photoconducteur à mémoire est séparé du suivant par deux éléments de stockage de charge, ce qui permet un transfert unidirectionnel sans incidents. Une mosaïque d'éléments selon l'invention peut avantageusement être réalisée en silicium mono cristallin ayant une résistivité élevée par exemple de quelques Q/cm. La dimension des plages conductrices translucides est avantageusement comprise entre 10 et 50 micromètres, l'intervalle entre deux plages consécutives d'une même colonne de la matrice est avantageusement compris entre 2 et 5 micromètres. L'intervalle entre deux colonnes est favorablement compris entre 20 et 100 micromètres Sur le bloc de silicium, on dépose, par exemple par oxydation de silane à basse température (de 350 à 5000 C) une couche pure d'oxyde de silicium d'une épaisseur qui peut avantageusement être o comprise entre 500 et 3000 A, cette épaisseur est avantageusement voisine de 1000 comme pour une capacité de type métal-oxyde- semi-conducteur. On peut utiliser aussi avantageusement comme pellicule isolante, une pellicule de nitrure de silicium également translucide que l'on dépose par pulvérisation cathodique réactive. Sur la pellicule isolante, on dépose par évaporation une épais- seur de 1 à 2 microns de silicium. On peut déposer cette couche sur toute la surface de la plaquette et séparer ensuite par photogravure les différentes plages les unes des autres ou faire l'évaporation à travers un masque métallique. Pour rendre les plages translucides suffisamment conductrices, on peut évaporer, selon une technique connue, du bore, du phosphore ou de l'arsenic au cours du même cycle que l'évaporation du silicium mais séparément. On peut aussi effectuer sur chaque plage de silicium, un dépôt ou une diffusion de phosphore ou de bore, notamment si la pellicule isolante est en nitrure de silicium. Avec un tel dispositif, il est avantageux d'utiliser un rayonnement ayant une longueur d'onde comprise entre 800 et 1000 nanomètres. - REVENDICATIONS 1.- Elément lecteur à mémoire de type opto-électronique en matériau semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comporte notamment, sur une plaquette monocristalline, au moins une couche superficielle d'un type de conduction déterminé, photosensible au moins sous l'impact de rayonnements, d'une longueur d'onde inférieure à un seuil, ladite couche étant recouverte d'une pellicule isolante, translucide pour des rayonnements dont la longueur d'onde est dans une gamme inférieure audit seuil de photoconductivité dudit matériau, et, sur ladite pellicule isolante, au moins une plage au moins légèrement conductrice, translucide pour des rayonnements dont la longueur d'onde est incluse dans ladite gamme, des contacts auxquels sont reliées des connexions étant créés, d'une part sur ladite couche superficielle de la plaquette et, d'autre part sur chacune desdites plages conductrices. 2.- Mosaïque mémoire monolithique en matériau semi-conducteur monocristallin caractérisé en ce qu'elle est constituée par un ensemble série répétitif de cellules comportant chacune un élément photorécepteur à mémoire selon la première revendication suivi d'au moins un élément de stockage de charge intermédiaire comportant sur une pellicule isolante déposée sur le matériau semi-conducteur une électrode extérieure, des contacts étant créés sur le bloc semi-conducteur, sur les plages conductrices translucides des éléments photoconducteurs à mémoire et sur les électrodes extérieures des éléments de stockage de charge intermédiaires. 3.- Mosaïque mémoire selon la revendication 2 caractérisée en ce que chaque élément photoconducteur à mémoire est séparé du suivant par deux éléments de stockage de charge intermédiaires. 4.- Mosaïque mémoire selon la revendication 3 caractérisée en ce que les éléments de stockàge de charge intermédiaires sont identiques aux éléments photodétecteurs à mémoire, l'électrode extérieure des éléments de stockage de charge étant translucide. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que le bloc semi-conducteur est en silicium monocristallin, la pellicule isolante est en oxyde de silicium, les plages conductrices translucides sont en silicium. 6.- Mosaïque selon l'une des revendications 2, 3 ou 4 caractérisée en ce que les plages translucides conductrices ont des dimensions comprises entre 10 et 50 micromètres, les intervalles entre les plages conductrices de deux éléments successifs entre lesquels s'effectue un transfert de charge ayant une largeur comprise entre 2 et 5 micromètres. 7.- Mosaïque selon l'une des revendications 2, 3, 4 ou 6 carac tersée en ce que les éléments étant répartis en colonnes le long desquelles se fait le transfert de l'information, la distance entre deux colonnes est comprise entre 20 et 100 micromètres.