Brevet FR2281662A1 — publié le 19760305

La présente invention concerne de façon générale les dispositifs à semi-conducteur, et plus précisément de tels dispositifs destinés à renforcer les images formées par des radiations incidentes. Le renforcement des images relativement peu contrastées et de détection difficile est souhaitable. En particulier, ce renforcement est souhaitable dans la partie visible du spectre de radiations, notamment dans les conditions d'éclairage ambiant. On a déjà essayé de réaliser un appareil qui, bien qu'il donne satisfaction au point de vue du fonctionnement, pose divers problèmes. Certains des problèmes posés sont la largeur de bande très limitée des radiations transmises, la dimension importante de l'appareil, les tensions très élevées (des kilovolts) nécessaires à ltobtention d'un fonctionnement satisfaisant, la sensibilité aux vibrations,à la température et au champsmagnétiques externes, etc. Pour ltessentiel, les appareils de type connu donnant des résultants analogues à ceux qu'on obtient selon l'invention, sont réalisés par mise en oeuvre de la tecimolo- gie des circuits à tubes à vide à haute tension. Certains dispositifs connus ont mis en oeuvre un appareil fonctionnant par électroluminescence, du typeoemprenant une couche de matière électroluminescente et une couche de matière photoconductrice. Cette dernière est destiné à régler la valeur de la tension appliquée à la matière électroluminescente, à une valeur proportionnelle à l'intensité des radiations incidentes, dans la bande particulière de radiations auxquelles est sensible le dispositif. De tels dispositifs ont été utilisés soit seuls soit en tandem selon le cas. L'invention concerne la mise en oeuvre d'une couche sensible aux radiations incidentes dans une bande prédéterminée, cette couche étant collée à une couche en céramique ferroélectrique qui est convenablement polarisée de manière qu'elle ait des caractéristiques piézo-électriques. Un dispositif créant un signal de sortie est relié à la couche piézo-électrique et transmet un signal de sortie en fonction des radiations incidentes. L'invention concerne plus précisément un appareil qui comprend du fluorure de césium qui forme la couche sensible aux radiations et du titanate-zirconate de plomb dopé par du carbone qui constitue la couche piézo-électrique, une matière luminescente étant collée sur la couche piézoélectrique et formant le dispositif destiné à produire un signal de sortie. Un potentiel électrique est appliqué aux couches de titanate-zirconate de plomb et de fluorure de césium. La couche de fluorure de césium peut etre formée par évaporation sous vide de césium métallique, en atmosphère de trifluorure de bore, sur un substrat chauffé. La couche de titanate-zirconate de plomb est formée par dépôt sous vide et pulvérisation réactive de titanate-zirconate de plomb dans une atmosphère d'un composé organique pyrolysable, contenant de ltoxygène, de manière que du titanate-zirconate de plomb dopé par du carbone soit déposé par épitaxie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente schématiquement un appareil renforçateur d'images de radiations selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement un appareil qui peut être utilisé pour la réalisation des dispositifs selon l'invention ; et - la figure 3 est un schéma d'une variante de mode de réalisation d'appareil selon l'invention La figure 1 représente sous forme schématique très agrandie un appareil 10 renforçateur d'images selon l'invention. Pour simplifier l'utilisation, on décrit appareil de la figure 1 en référence aux radiations du spectre visible.Cependant, appareil est aussi utile avec d'autres types de radiations électromagnétiques telles que les rayons X, les rayons ultraviolets ou les rayon#s infrarouges. Bien que ltexpression "renforcement dtimages" soit utilisée dans le présent mémoire, elle ntimplique pas que l'appareil n'est utile que pour la reproduction d'images intelligibles. Par exemple, l'appareil peut wetre utilisé comme amplificateur ou détecteur de radiations ne mettant pas en oeuvre une image particulière, dans le sens classique du terme. L'appareil 10 de la figure I comprend un substrat transparent 12 qui, lorsqu'il s'agit de lumière visible, peut etre en verre. Bien que divers verres soient utiles, le plus avantageux est le verre Pyrex qui contient 80 # de silice, 4 % d'oxyde de sodium, 13 % d'oxyde de bore, 2 % d'alumine et 1 96 d'autres oxydes. Le substrat 12 est nettoyé et attaqué chimiquement de manière classique de façon qu'il ewose une surface neuve sur laquelle des couches supplémentaires peuvent être déposées,avec une bonne adhérence. Une couche 14 de maiière conductrice de l'électricité mais transparente aux radiations, est déposée sur la surface nettoyée du substrat 12. Diverses matières sont connues à cet effet, par exemple l'aluminium, le titane, le chrome et oxyde stanneux. Une couche d'oxyde stanneux d'environ 1 000 A d'épaisseur est particulièrement avantageuse. La couche d'oxyde stanneux peut etre déposée de toute manière connue, par exemple par pulvérisation d'une solution aqueuse contenant 5 % de chlorure stanneux sur le substrat 12 qui a été chauffé à 5000C environ. Si l'appareil doit avoir une largeur de bande assurant une grande sélectivité, la couche 14 peut être choisie à cet effet, et par exemple le chrome peut former la couche 14 et est transparent aux radiations infrarouges. Une couche 16 sensible aux radiations est alors déposée sur la couche 14. La couche 16 doit avoir la caractéristique de donner des électrons lorsqu'elle reçoit les radiations. Cette utilisation du terme "donner" désigne une libération d'énergie cinétique et les électrons peuvent être libres et émis par la couche 16, mais le terme indiqué peut aussi désigner une variation de la densité superficielle de charge ou une variation mécanique de forme. La couche 16 peut comprendre divers halogénures photosensibles des terres rares et de préférence, elle est en fluorure de césium déposé par évaporation sous vide sur le substrat 12 et la couche 14 qui ont été chauffés. Lors de la réalisation du dépit cité, le substrat 12 portant la couche 14 qui adhère convenablement, est placé dans une chambre sous vide, par exeeaple sous la cloche 30 (figure 2). Une source de césium métallique est disposée dans une nacelle 32 ou sur un support analogue. Une pompe à vide 38 crée un vide interne, dans la cloche 3C, correspondant à au moins 2.10 6 torr.Ensuite, un dispositif 34 de chauffage est mis sous tension de manière qu'il chauffe le substrat 12 à une température comprise entre 150 et 200 C, Ensuite, le dispositif 40 de réglage et de formation d'at mosphère est commandé et établit, dans la cloche 30, une atmosphère contenant au moins 0,07 moles % à 1 mole f et de préférence 0,1 mole % de trifluorure de bore sous forme gazeuse. Les flèches 36 indiquent le chauffage de la nacelle 32 contenant le césium métallique qui s'évapore ainsi.Lors de cette évaporation, les atomes se déplacent dans l'atmos- phère de trifluorure de bore et un pourcentage important de césium métallique réagit avec le triflutonrne de bore et forme du fluorure de césium qui se dépose sur la couche 14 d'oxyde stanneux déjà déposée et adhère. L'évaporation est poursuivie pendant un temps suffisant pour que la couche de o fluorure de césium ait une épaisseur de l'ordre de 800 A sur la couche 14. Lors de l'évaporation du césium métallique de la nacelle 32, le dispositif 40 assure l'introduction continue de trifluorure de bore dans la cloche 30 de manière que l'atmosphère interne ait la teneur voulue. Pour les pourcentages indiqués de trifluorure de bore dans la cloche 30, l'atmosphère n'est pas saturée et ainsi, une partie du césium métallique sous forme élémentaire (c'est-à-dire non combiné avec du fluorure) peut se déposer dans la couche 16. Lorsque la couche 16 contient essentiellement un halogénure de terres rares mais aussi un élément des terres rares, sous forme élémentaire, la sensibilité de la couche 16 aux radiations incidentes est accrue de façon surprenante. Juste après le dépit de la couche 16, un revêtement protecteur ou couche 18 doit être disposé de manière que la contamination du fluorure de césium à l'extérieur soit évitée. Cette couche protectrice peut être en divers éléments, mais il s'agit de préférence d'une couche de monoxyde de silicium qui est déposée par évaporation sous vide de type connu. La couche de monoxyle de silicium doit être maintenue à une épais seur relativement faible et selon l'invention, son épaisseur o est de 500 A environ. Une couche 20 de liaison est alors déposée sur la couche 18 et peut être en toute matière qui favorise l'adhé rence des couches qui doivent être déposées ultérieurement sur la couche 16. La couche 20 de liaison selon l'invention comprend de préférence trois couches métalliques séparées. La première est en titane et elle est déposée directement sur la couche 18, puis elle est recouverte d'une couche d'alu minium et d'une couche d'or. Ces couches peuvent etre dépo sées par évaporation sous vide et on pense qu'elles se mé langent lors des phases d'évaporation, en formant un composé intermétallique. Après dépôt de la couche 20 de liaison, une couche 22 de matière piézo-électrique est formée par épitaxie. Cette couche 22 est une matière monocristalline, telle qu'une cé ramique ferroélectrique qui a été polarisée. Les céramiques piézoéectriques de ce type sont par exemple le zirconate de plomb, le titanate de baryum, le métaniobiate de plomb et le titanate-zirconate de plomb. Selon l'invention, une couche 22 est formée en titanate-zirconate de plomb et est dopée par du carbone. Lorsque la céramique ferroélectrique a été déposée, elle doit être chauffée au-delà de sa température de Curie, et un champ unidirectionnel élevé est appliqué à la matière et celle-ci refroidit à température ambiante alors que le champ restq appliqué si bien que la céramique ferro électrique est polarisée. La couche 22 de titanate-zirconate de plomb dopée par du carbone est appliquée sur la couche 20 par évapo ration sous vide et pulvérisation réactive. Cette opération est réalisée par disposition dans le récipient ou nacelle 32 de poudre de titanate-zirconate de plomb, le substrat 12 por tant les diverses couches préalablement déposées étant mis en place. La cloche est mise sous vide comme indiqué précé demment et le dispositif 40 est commandé de manière qu'il forme dans la cloche une atmosphère contenant un composé organique 44 pyrolysable en atmosphère oxydante.Bien que tout composé organique pyrolysable qui, par craquage, forme du carbone mais ne contamine pas le titanate-zirconate de plomb puisse être utilisé, l'atmosphère contenant une concentration molaire de 50 % de triméthylamine, 50 % de d mé- thylamine, 10 % d'argon constituant un diluant et 2 à 5 % d'oxygène est avantageuse selon l'invention. Ensuite, le substrat 12 est porté à une température comprise entre 200 et 3000C et le titanate-zirconate de plomb est chauffé comme indiqué par les flèches 36 de manière qu'il s'évapore. Une source 31 de potentiel est reliée par l'intermédiaire d'une résistance convenable 33 de manière que le récipient 32 forme la cathode et le substrat 12 l'anode.La tension de la source est réglée de manière que l'intensité soit maintenue à une valeur sensiblement constante entre 10 et 200 mA suivant les paramètres utilisés, concernant le vide, le temps de refroidissement et analogues. Lors du maintien des conditions indiquées, le titanatesirconate de plomb subit une combinaison d'évaporation et de pulvérisation réactive. Lorsque les températures et l'atmosphère sont appropriées comme indiqué précédemment, la couche 22 se forme par épitaxie sur la couche 20 de liaison. Après dépôt de la couche 22, une couche 24 d'une matière opaque aux radiations et conductrice de l'électricité est déposée. Le rôle de cette matière est de former une électrode et d'empêcher le retour de la lumière qui doit être émise par la couche 26 lorsque celle-ci a été déposée. Une couche de noir de platine et de titane,déposés ensemble, est préférable. Après dépôt de la couche 24, des fils sont fixés aux couches 14 et 24 et un champ de polarisation est appliqué comme décrit précédemment. Après polarisation de la couche 22, une couche de formation de signal de sortie, par exemple d'une matière luminescente 26, est déposée. Toutes les matière luminescentes connues qui émettent des radiations lorsqu'elles sont excitées, par exemple par application d'énergie par frottement, bombardement électronique, un champ électrique ou analogue, conviennent. De telles matières luminescentes sont par exemple ltorthosilicate de zinc et le sulfure de zinc qui peut être activé par du cuivre ou de l'argent. De préférence, la couche 26 est du sulfure de zinc activé par de l'argent. La couche 26 peut être appliquée par toutes les techniques connues, par exemple par évaporation, pulvérisation ou dépôt à partir d'une solution diluée de silicate de potassium. Ensuite, une source 28 de potentiel d'excitation est reliée aux fils, qui, comme représenté, sont reliés aux couches 14 et 24 qui sont conductrices de l'électricité et constituent des électrodes destinées à appliquer un potentiel électrique à la couche piézo-électrique 22 et à la couche 16. On sait que l'application d'un potentiel électrique à la matière piézo-électrique provoque sa dilatation suivant un axe et sa contraction suivant un autre axe. De plus, la matière piézo-électrique crée des charges opposées sur les faces opposées de la matière lorsque celle-ci est mise sous contrainte par des forces externes, qu'elles soient créées mécaniquement ou électriquement. On constate que la source excitatrice donne tout à fait satisfaction pour une tension d'environ 15 V, et la fréquence peut varier entre quelques hertzs et environ 15 kHz. L'appareil décrit précédemment constitue un renforçateur d'images ayant un gain d'environ 6 000. Des dispositifs comprenant plusieurs éléments du type représenté sur la figure 1 et disposés en cascade peuvent être aussi utilisés selon l'invention. La figure 3 représente un tel dispositif qui comprend des substrats 50, 52 et 54 sur lesquels sont déposées les couches de matière décrites et qui sont représentées de façon générale par une seule couche 56, 58 et 60 respectivement, sur les substrats. Ainsi, les radiations pénètrent à gauche comme représenté sur la figure 3 et comme représenté par les flèches 80. Une couche d'un composé 62, 64 de couplage optique fixe chacun des dispositifs au dispositif adjacent et assure une bonne transmission des radiations. Des sources de potentiel 66, 68 et 70 sont montées comme décrit, une pour chaque dispositif. Ainsi, lors de lrutilîsation d'un appareil du type représenté sur la figure 3, les radiations 80 pénétrant à gauche comme représenté sur la figure 3, provoquent la transmission de radia tions par la couche 56, ces radiations étant transmises au substrat 52 qui a un r81e analogue et dont les radiations sont transmises au substrat 54 qui a un r81e analogue. Ainsi, un gain accru est obtenu par multiplication des gains des dispositifs comme représenté sur la figure 3. Un appareil réalisé comme décrit en référence à la figure 1 ou 3 est très robuste et de petite dimension. Etant donné les faibles tensions et les fréq#nces commodes de la source d'alimentation, les circuits bien connus à semi-conducteur peuvent être utilisés pour l'application de la tension excitatrice et aucune protection particulière n'est nécessaire, contrairement aux dispositifs connus mettant en oeuvre des tensions élevées. Ainsi, l'appareil selon l'in- vention peut zetre utilisé pour le renforcement des images de binoculaires, pour une utilisation sous l'eau, dans des applications médicales, en fluoroscopie, ainsi que dans de nombreuses applications supplémentaires, comme peuvent le noter les spécialistes. Les phénomènes exacts qui provoquent le renforcement excellent de l'image dans l'appareil selon l'invention ne sont pas parfaitement connus. On pense que énergie libérée par les couches sensibles aux radiations pénètre dans les couches piézo-électriques et accroît leurs vibrations. Ces vibrations accrues provoquent la transmission d'énergie à la couche de production de signal de sortie tel que la matière luminescente, si bien que celle-ci émet de la lumière. Le mécanisme exact de transfert d'énergie n'est pas connu, mais on pense qutil stagit d'une émission d'électrons cu d'une déformation physique. Dans tous les cas, on obtient des résultats surprenants et tout à fait imprévus lors de l'utilisation de L'appareil selon l'invention. il est bien entendu que l'invention nta été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif renforçateur d'images formées par des radiations, caractérisé en ce qu'il comprend une couche émissive sensible aux radiations et destinée à donner des électrons après excitation par les radiations incidentes, une couche céramique ferroélectrique polarisée de manière qu'elle soit piézo-électrique et collée à la couche sensible aux radiations, une matière luminescente associée à la couche piézo-électrique et sensible aux vibrations de celle-ci de manière qu'vmocrée des radiations émises, et un dispositif destiné à appliquer un potentiel électrique à la couche émissive sensible aux radiations et à la couche piézo-électrique de manière que des vibrations soient créées et que, après excitation de la couche émissive par les radiations incidentes, l'énergie soit transférée à travers la couche piézoélectrique jusqutà la matière luminescente de manière que l'image des radiations incidentes soit renforcée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche piézo-électrique est en titanatezirconate de plomb. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, -caractérisé en ce que la couche piéso-électrique contient du carbone d'impureté. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche piézo-électrique est une structure monocristalline. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche émissive sensible aux radiations est en halogénure de terre rare. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche émissive sensible aux radiations est en fluofure de césium. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un substrat transparent disposé du côté de la couche émissive éloigné de la couche piézo-électrique. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce outil comprend de plus un organe optiquement opaque placé entre ltorgane luminescent et la couche piézo-électrique. 9. Procédé de réalisation d'une couche émissive sensible aux radiations sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un substrat et d'une source d'un élément des terres rares dans une chambre évacuée, le chauffage du substrat à une température comprise entre 150 et 2000C, la formation dans la chambre d'une atmosphère non saturée d'un gaz capable de réagir avec le métal avec formation d'un halogénure d'un élément des terres rares, le chauffage de ltélémentdes terres rares à une température dtévaporation pendant un temps suffisant pour qu'une couche d'halogénure d'élément de terre rare soit déposée sur le substrat, et le refroidissement de celui-ci. 10,. Procédé de formation d'une couche piézo-électrique sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition dtun substrat et d'une source de matière céramique ferroélectrique dans une chambre sous vide, le chauffage du substrat entre 200 et 3000C, la formation dans la chambre d'une atmosphère d'un composé organique pyrolysable qui se décompose en libérant des atomes libres de carbone, la connexion d'une source de potentiel entre le substrat qui constitue l'anode et la source qui constitue la cathode, le maintien du chauffage, de l'atmosphère et du potentiel pendant un temps suffisant pour que la céramique soit déposée épitaxialement sur le substrat, puis la polarisation de la céramique.