Brevet FR2259437A1 — publié le 19750822

La présente invention a pour objet des dispositifs à transfert de charges utilisant des zones conductrices composites. Elle trouve une application en électronique, notamment à la réalisation de registres à décalage, de lignes à retard, de mémoires, de rétines etc Les dispositifs à transfert de charges (en littérature anglosaxonne "charge-coupled devicesn ou en abrégé CCD) sont des systèmes à semiconducteurs dans lesquels on stocke des charges dans des puits de potentiel créés à la surface dlun semiconducteur ou à l'interface entre un substrat semiconducteur et une zone superficielle dopée d'un type opposé au substrat (dispositifs dits " canal enterré") et dans lesquels on transfère ces charges en déplaçant les puits de potentiel.Ces dispositifs comprennent, très schématiquement, un substrat semiconducteur dopé, une couche d'un matériau isolant et un ensemble d'electrodes portées à des potentiels appropriés. Les charges déplacées par ce procédé dans de tels dispositifs sont les porteurs minoritaires du substrat semiconducteur, par exemple les trous si le semiconducteur est de type N. On pourra se reporter, en ce qui concerne les propriétés générales de ces dispositifs à transfert de charges, aux deux articles originaux publiés sur ce sujet dans "Bell System Technical Journal", volume -49, 1970 et intitulés, l'un "Charge coupled semiconductor devices" de W.S Boyle et G.E. Smith (page 587) et l'autre "Experimental verification of the charge coupled device concepts de G.F. Amelio, M.F. Tompsett et G.E. Smith (page 593). Dans ces dispositifs, il est nécessaire d'assurer l'unidirectionalité du transfert des charges et, pour cela, on est amené à créer des puits de potentiel asymétriques pour les porteurs minoritaires, plus profonds en aval qu'en amont. On connait de nombreux moyens pour créer de tels puits. On peut utiliser par exemple le fait connu que la profondeur d'un puits de potentiel dépend du potentiel d'extraction métal-semiconducteur d'un conducteur métallique placé sur la couche isolante. La juxtaposition de deux conducteurs différents et appropriés permet alors d'obtenir la dissymétrie voulue du puits de potentiel. Mais la réalisation pratique de ce principe se heurte à de grandes difficultés, car il est très difficile de déposer sur un isolant des régions métalliques différentes qui soient juxtaposées et en bon contact électrique. L'invention se rapporte à ce genre de dispositifs à transfert de charges dans lesquels on utilise deux matériaux conducteurs à potentiels d'extraction métal-semiconducteur différents; mais les dispositifs de l'invention sont de réalisation beaucoup plus simple que ceux de l'art antérieur. La caractéristique essentielle des dispositifs de llinvention est l'utilisation d'une couche conductrice formée par des régions dopées de types opposés, respectivement N et P *+. Ces régions sont disposées dans les zones où lton désire créer des puits de potentiel asymétriques, pour assurer l'unidirectionalité du transfert des charges, c'est-à-dire, soit entre les électrodes dans le cas d'un dispositif à une ligne de commande (et éventuellement sous les électrodes), soit sous les électrodes dans le cas d'un dispositif à plus d'une ligne de commande. Grâce à l'utilisation, selon l'invention, d'une couche unique dont on fait varier la nature du dopage pour obtenir des potentiels d'extraction différents, on résout le problème posé par la juxtaposition de deux conducteurs différents. On résout également le problème difficile de la réduction de l'intervalle entre électrodes, dans les dispositifs à deux lign#es de commande. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif à transfert de charges à une ligne de commande comprenant: un substrat semiconducteur dopé, un ensemble d'électrodes se succédant le long d'un axe et isolées dudit substrat par au moins une couche isolante mince, des moyens pour créer sous les électrodes un puits de potentiel asymétrique pour les porteurs de charges minoritaires dudit substrat, ledit puits étant plus profond en aval qu'en amont pour assurer 1 'unidirectiona- lité du transfert desdits porteurs le long dudit axe, des moyens pour injecter des porteurs minoritaires sous au moins la première électrode, des moyens pour détecter la présence de charges sous au moins la dernière électrode, des moyens pour créer dans le substrat et entre les électrodes un puits de potentiel asymétrique et permanent pour lesdits porteurs minoritaires, ledit puits étant plus profond en aval qu'en amont par rapport à la direction de transfert desdits porteurs, une source de tension électrique variant cycliquement entre deux valeurs extrêmes appropriées, caractérisé en ce que l'un au moins desdits moyens pour créer un puits de potentiel asymétrique plus profond en aval qu'en amont sont constitués par une couche conductrice à deux types de conduction et formée par deux régions dopées de types opposés respectivement N et P et disposée sur ladite couche isolante, la zone étant en amont et la zone P++ en aval pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. Dans ce mode de réalisation, lesdits moyens pour créer un puits de potentiel asymétrique plus profond en aval qu'en amont pour assurer l'unidirectionalite du transfert des charges peuvent être associés à d'autres moyens connus (variations d'épaisseurs d'oxyde, dopage du substrat etc ...). Mais ces moyens peuvent avantageusement être les mêmes sous les électrodes et entre les électrodes.Dans le cas de la création sous les électrodes d'un puits de potentiel asymétrique, les deux régions dopées de types opposés respectivement N et P++ sont disposées sous les électro- des et sur ladite couche isolante, chaque électrode recouvrant au moins partiellement les deux dites régions la région N étant située sous le bord amont de l'électrode et la région P++ sous le bord aval pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. L'invention a également pour objet un dispositif à transfert de charges à deux lignes de commande comprenant: un substrat semiconducteur dopé, un ensemble de 2n électrodes métalliques se succédant le long d'un axe et isolées dudit substrat par une couche mince isolante, des moyens pour créer sous chaque électrode des puits de potentiels asymétriques plus profonds en aval qu'en amont pour les porteurs de charges minoritaires et assurer ainsi l'unidirectionalité du transfert desdits porteurs le long dudit axe, des moyens pour injecter des porteurs minoritaires sous au moins la première électrode, des moyens pour détecter la présence de charges sous au moins la dernière électrode, deux sources de tension variant cycliquement, chacune étant reliée à une électrode sur deux par une ligne de commande, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer sous les électrode, des puits de potentiel asymétriques plus profonds en aval qu'en amont sont constitués par une couche conductrice à deux types de conduction disposée sous et au contact avec chaque électrode et sur ladite couche isolante et présentant une succession de régions à dopage de deux types différents qui alternent, respectivement N et P +, chaque région N++ étant située sous le bord amont d'une électrode et chaque région étant située sous le bord aval d'une électrode pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. Dans les deux types de dispositifs à transfert de charges qui viennent d'être définis, la couche à deux types de conduction peut être avantageusement en silicium polycristallin. De toute façon, les caractéristiques et-#vantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente en coupe un dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon un mode de réalisation de l'invention (figure la) avec le profil correspondant du potentiel de surface Vs le long du dispositif (figure lb); - la figure 2 représente un exemple de variation cyclique de la tension V appliquée aux électrodes;; g - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier du dispositif de la figure 1 dans lequel les deux régions respectivement de type N et P de chaque intervalle interélectrode sont électriquement réunies par un dépôt conducteur; - la figure 4 représente schématiquement une coupe d'un dispositif à transfert de charges à deux lignes de commande selon l'invention. Dans la description qui va suivre et à titre purement explicatif, on se placera dans le cas-d'un substrat de type N, par exemple en silicium dopé pour lequel les porteurs minoritaires sont donc des trous. I1 est évident qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un substrat de type P et en inversant les dopages et les polarités. La figure la représente schématiquement une coupe du dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon un mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif comprend un substrat semiconducteur 10 de type-N, une couche isolante 12, des électrodes métalliques 14 reliées par la connexion 16 à une source 18 de tension V . Les moyens classiques pour injecter les porteurs minoritaires sous au moins la première électrode et les moyens pour détecter la présence de charges sous la dernière électrode ne sont pas représentés. Dans le mode de réalisation illustré par la figure la, les moyens pour créer entre les électrodes un puits de potentiel asymétrique plus profond en aval qu'en amont, et les moyens pour créer de tels puits sous les électrodes sont tous deux constitués par une couche 20 conductrice qui est formée par une succession de régions 22 et 24 fortement dopées par rapport au substrat 10, et respectivement de types N++ et P++. Chaque électrode 14 recouvre au moins partiellement une zone 22 de type N située en amont et une zone 24 de type p en aval. L'intervalle entre deux électrodes 14 comprend une zone 22 du type N en amont et une zone P++ en aval, cela pour un substrat de type N, la situation étant inversée lorsque le substrat est de type P. Le dispositif de la figure la peut comprendre accessoirement un faible dopage 30 de type P à la surface du substrat semiconducteur 10 destiné à créer un "canal enterre". I1 peut comprendre également une zone 32 de type N située sous la région dopée N++ de la partie amont de l'intervalle interélectrode, Dans le mode de réalisation illustré par la figure la, ~les moyens pour créer sous les électrodes les puits de potentiels assurant l'unidirectionalite du transfert de charges sont les mêmes que les moyens utilisés pour le même but dans l'intervalle interélectrode, car cela conduit à une bonne-homogénéité de la structure, mais il est évident qu'on pourrait utiliser sous les électrodes d'autres moyens parmi ceux qui sont connus, sans sortir du cadre de l'invention Sur la figure lb est tracé le profil du potentiel de surface Vs le long du dispositif de la figure 1. Ce potentiel est celui de l'interface entre le semiconducteur 10 et l'isolant 12 lorsqu'une tension V est appliquée sur les électrodes 14 g par l'intermédiaire de la connexion 16. Ce potentiel de surface dépend de la tension Vg, des caractéristiques du semiconducteur situé sous cette surface et des régions conductrices situées audessus de ladite surface, c'est-à-dire des caractéristiques des régions N et P++ disposées, selon l'invention, sur la couche isolante 12.A titre explicatif, on peut indiquer que le potentiel de surface dans la zone correspondant à une région 22 de type N++ disposée au-dessus d'une région semiconductrice 10 de type N est supérieur au potentiel de surface correspondant à une région 24 de type P ++ Il résulte de cette disparité que le potentiel de surface Vs sous les électrodes a l'allure d'une marche plus profonde sous la zone P que sous la zone N : c'est ce qui est représenté sur les parties gauche et droite de la figure lb pour deux valeurs de la tension V égales à V1 et V2.Par un g raisonnement analogue, on comprend que le potentiel de surface dans l'intervalle interélectrode a aussi la forme d'une marche plus profonde en aval qu'en amont, la présence de la zone 32 de type N+ venant accentuer encore les différences de profondeur, mais n'étant pas obligatoire. A la différence du profil sous les électrodes, celui de l'intervalle interélectrode est permanent car il ne dépend pas, dans une large mesure, de la tension appliquée aux électrodes. Après un certain nombre de cycles, tout se passe alors comme si les régions dopées de l'espace interélectrode étaient à un potentiel uniforme égal à la valeur moyenne de Vg soit (V1+V2) Dès lorsque fonctionnement du dispositif est le suivant: lorsque la tension V appliquée est égale à V1, la profondeur g des puits de potentiel créés sous les électrodes est maximale. Lorsque la tension V prend la valeur Vz, la profondeur du puits g de potentiel sous lés électrodes est réduite et les charges qui y sont éventuellement piégées sont transférées dans le puits de potentiel asymétrique permanent de l'intervalle interélectrode adjacent situé en aval. Ces charges sont ensuite transférées dans le puits de potentiel créé sous les électrodes suivantes lorsque V reprend la valeur V1. g La tension Vg, qui prend les deux valeurs extrêmes V1 et V2, peut être de forme quelconque, par exemple rectangulaire comme il est représenté sur la figure 2. Les seules conditions à réaliser sur l'amplitude des tensions V1 et V2 sont: que la profondeur minimale du puits de potentiel en aval des électrodes soit plus faible que la profondeur du puits de potentiel en amont de l'intervalle interélectrode et que la profondeur maximale du puits de potentiel en amont des électrodes soit supérieure à la profondeur du puits de potentiel en aval de l'intervalle interélectrode.Ces conditions doivent etre satisfaites pour que le transfert des charges puisse avoir lieu correctement, d'abord de la zone située sous les électrodes vers l'intervalle interélectrode situé directement en aval, puis de ce même intervalle interélectrode vers la zone située sous-l'électrode suivante et située en aval Par un dopage uniforme de type P déposé sur le substrat 10, on peut touJours s'arranger pour que la tension de seuil correspondant au semiconducteur soit positive rce qui conduit à une tension V2 positive et ce qui permet éventuellement d 'obtenir des tensions V1 et V2 dont la valeur moyenne est nulle. Pour améliorer l'homogénéité du potentiel de l1inter- valle interélectrode, on peùt éventuellement, et selon un mode de réalisation particulier de l'invention, réunir électriquement les deux régions de types N++ et P de chaque intervalle interélectrode par un dépôt. conducteur C'est ce qui est représenté sur la figure 3. Sur cette figure, on retrouve les électrodes 14 reliées à la connexion 16 et les zones 22 et 24 de types respectiverent N et P disposées sur l'isolant 12.Dans ce mode particulier de realisation, les zones N++ et P++ de llin- tervalle interélectrode sont électriquement réunies par un déport conducteur 40, qui peut Eventuellmment être relié à une connexion 42 portée à un potentiel fixe, égal à la valeur moyenne de Vg notamment nul. Sur la- figure 4 est represente un dispositif à transfert de charges à deux lignes de commande selon l'invention. Ce dispositif comprend un substrat semiconducteur 50, une couche isolante 52, des électrodes 54 et 56 respectivement reliées à une première ligne de commande 54' et à une deuxième ligne de commande 56', qui véhiculent des tensions appropriées délivrées par deux alimentations 54" et 56". Selon l'invention, les moyens pour créer sous les électrodes 54 et 56 des puits de potentiel asymétriques assurant l'unidirectionalité du transfert des porteurs minoritaires sont constitués par une couche conductrice 60 à deux types de conduction disposée sous et au contact avec les électrodes 54 et 56 et sur la couche isolante 52.Cette couche est formée par une succession de régions 62 et 64 respectivement de types N et P++, une région N++ étant située sous le bord amont d'une électrode, une région N++ étant située sous le bord aval de l'électrode, ceci pour un substrat 50 de type N et inversement pour un substrat de type P. Les puits de potentiel créés sous chaque électrode sont asymétriques car le potentiel d'extraction métal-seconducteur pour une légion N par rapport au semiconducteur 50 de type N n'est pas le même que le potentiel d'extraction d'une région par rapport à ce meme substrat. Sous chaque électrode 54 et 56, il existe donc un puits de potentiel asymétrique, qui est d'après les valeurs données plus haut, plus profond en aval quten amont. La valeur moyenne de cette profondeur dépend des tensions appliquées sur les parties métalliques 54 et 56 reliées aux alimentations an tension 54" et 56". Le fonctionnement du dispositif est alors identique à celui des dispositifs à deux lignes de commande de l'art antérieur. Dans ce mode de réalisation, le substrat 50 peut encore être compensé en surface par une région dopée 66 d'un type opposé à celui du substrat 50, par exemple par une regon de type P si le substrat est de type N, et cela pour ajuster la tension de seuil et pour profiter des avantages du canal enterré. Dans ce genre de dispositif à transfert de charges, L intervalle interélectrode ne joue pas de roule primordial et il est souhaitable qu'il soit réduit au maximum. L'invention résout ce probîeme puisque les électrodes sont jointives au niveau des jonctions N++/P++. Dans les deux modes de réalisation décrits, le substrat peut être du silicium et l'isolant du dioxyde de silicium. Le double dopage de la couche composite peut être obtenu par diffusion ou par implantation ionique, dans du silicium polycrlstalltn, selon des techniques connues et simples. REVENDICATIONS 1. Dispositif à transfert de charges à une ligne de commande comprenant: un substrat semiconducteur dopé, un ensemble d'électrodes se succédant le long d'un axe et isolées dudit substrat par au moins une couche isolante mince, des moyens pour créer sous les électrodes un puits de potentiel asymétrique pour les porteurs de charges minoritaires dudit substrat, ledit puits étant plus profond en aval qu'en amont pour assurer l'unidirectionalité du transfert desdits #porteurs le long dudit axe, des moyens pour injecter des porteurs minoritaires sous au moins la première électrode, des moyens pour détecter la présence de charges sous au moins la dernière électrode, des moyens pour créer dans le substrat et entre les électrodes un puits de potentiel asymétrique et permanent pour lesdits porteurs minoritaires, ledit puits étant plus profond en aval qu'en amont par rapport à la direction de transfert desdits porteurs, une source de tension électrique variant cycliquement entre deux valeurs extrêmes appropriées, caractérisé en ce que l'un au moins desdits moyens pour créer un puits de potentiel asymétrique plus profond en aval qu'en amont sont constitués par une couche conductrice deux types de conduction formée par deux régions dopées de types opposés, respectivement N et P++ et disposées sur ladite couche isolante, la zone N++ étant en amont et la zone P++ en aval pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. 2. Dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour créer sous les électrodes un puits de potentiel asymétrique plus profond en aval qu'en amont sont constitués par une couche conductrice à deux types de conduction formée par deux régions dopées de types opposés respectivement N et et disposées sous les électrodes et sur ladite couche isolante, chaque électrode recouvrant au moins partiellement les deux dites régions, la région v étant située sous le bord amont de l'électrode et la région P++ sous le bord aval pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. 3. Dispositif à transfert de charges à deux lignes de commande, comprenant: un substrat semiconducteur dopé, un ensemble de 2n électrodes métalliques se succédant le long d'un axe et isolées dudit substrat par une couche mince isolante, des moyens pour créer sous chaque électrode des puits de potentiel asymétriques plus profonds en aval qu'en amont pour les porteurs de charges minoritaires et assurer ainsi l'unidirectionalité du transfert desdits porteurs le long dudit axe, des moyens pour injecter des porteurs minoritaires sous au moins la première électrode, des moyens pour détecter la présence de charges sous au moins la dernière électrode, deux sources de tension variant cycliquement, chacune étant reliée à une électrode sur deux par une ligne de commande, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer sous les électrodes des puits de potentiel asymétriques sont constitués par une couche conductrice à deux types de conduction disposée sous et au contact avec chaque électrode et sur ladite couche isolante et présentant une succession de régions à fort dopage de deux types différents qui alternent, respectivement N et P , chaque région N étant située sous le bord amont d'une électrode et chaque région P ++ étant située sous le bord aval d'une électrode pour un substrat de type N et inversement pour un substrat de type P. 4. Dispositif à'transfert de charges selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche à deux types de conduction est en silicium polycristallin dopé. 5. Dispositif à transfert de charges selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur est faiblement dopé en surface par un type de dopage opposé à celui du reste du substrat. 6. Dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac tersé en ce que le substrat semiconducteur est dopé en surface par une région de même type que le substrat et située sous la région dopée N++ de l'intervalle interélectrode. 7. Dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux régions respectivement de typez et et P++ P++ de chaque intervalle interélectrode sont électriquement réunies par un dépit conducteur. 8. Dispositif à transfert de charges à une ligne de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dépôt conducteur est relié à une source de potentiel fixe.