Brevet FR2360177A1 — publié le 19780224

La présente invention se rapporte à un dispositif électronique photo-sensible A semi-conducteurs dont le courant anode-cathode est modifié par des changements, provoqués par des photons de l'état électrique d'une couche diélectrique ou de plusieurs couches diélectriques où le champ modulant est produit. Elle s'applique, par exemple, à des dispositifs du type connu sous le nom de transistors à effet de champ ou à des diodes à effet de champ. Dans la structure à transistors à effet de champ, l'anode et la cathode sont connues sous les noms de source et plaque, et il est connu de moduler la conductance du canal (de matière semi-conductrice) d'un tel dispositif en modifiant l'6tat électrique d'une couche diélectrique dans le dispositif. On a proposé antérieurement de modifier l'état électrique de la couche diélectrique en recueillant la charge injectée en la canalisant du corps semi-conducteur adjacent dans la couche diélectrique au voisinage d'une électrode "flottante" (dispositif métal oxyde semi-conducteur à anode flottante ou dispositif FAMOS) ou à une interface formée entre deux composants de la couche diélectrique (dispositif métal oxyde semi-conducteur à nitrure oxyde ou dispositif MNOS). Dans le brevet britannique n0 1.287.353, on décrit un transistor à effet de champ comprenant un corps semi-conducteur recouvert par un diélectrique comprenant deux couches superposées, la couche adjacente au corps étant constituée par une matière isolante non-photoconductrice et la couche extérieure étant constituée par une matière qui devient conductrice lorsqu'elle est éclairée par une source lumineuse. La condition minimale pour que le dispositif décrit dans le brevet britannique n0 1.287.353 précité puisse fonctionner est que ala couche extérieure devienne conductrice et, plus elle devient conductrice, mieux le dispositif décrit se comporte. Comme exemples typiques des couches photo-conductrices proposées, il y a lisu de citer le sulfure de cadmium, le selé- nlum pur, le silicium polycristallin et le germanium, et des verres photo-conducteurs.Lorsque la couche diélectrique extérieure est irradiée par la source lumineuse, des charges sont engendrées dans la couche photo-conductrice, et celles qui présentent une polarité particuliere s'accumulent à 1'interface entre les deux couches superposées et modifient la conduction à l'intérieur du corps semi-#ondu#teur tant que l'irradiation se poursuit. Lorsque la source lumineuse #'éteint, la charge r#idueIle contenue dans la couche photo-conductrice fuit rapidement, et le dispositif revient A son tat initial. On a trouvé à présent que l'on peut Obtenir un dispositif à semi-conducteurs A comportement amélioré en utilisant, au lieu d'une couche photoconductrice, une matière photosensible dispose sur et/ou dans une couche diélectrique, cette matière photosensible ayant la possibilité d'injecter des charges à travers l'interface ou les interfaces dans la couche diélectrique et aussi, facultativement, de produire un effet photo-volta#que. Dans tout le présent mémoire, l'expression "matière photosensible d'injection de charges" sera utilisée pour désigner de telles matières. En s'appuyant sur l'injection de charges à travers l'interface ou chaque interface, des dispositifs selon l'invention ont des propriétés et des caractéristiques avantageuses. En particulier, du fait que les charges sont injectées dans la couche électriquement isolante, il y a un beaucoup plus grand retard entre l'achèvement de l'éclairement produisant le changement d'état électrique dans le corps du semiconducteur et la disparition du changement ainsi produit, que dans le cas d'un dispositif du type décrit dans le brevet britannique précité, où les charges engendrées par des photons restent dans la matière photo-conductrice et fuient rapidement lorsque l'éclairement cesse. Selon un premier aspect de l'invention, un dispositif à semi-conducteurs comprend un corps semi-conducteur, une première électrode et une seconde électrode dans ou sur ledit corps entre lesquelles un courant de canal peut circuler dans une région du corpssadjacente A l'une de ses surfaces, une couche diélectrique sur au moins une partie de ladite surface, une matière photosensible d'injection de charges (par exemple, un colorant) sur ladite couche diélectrique, la matière photosensible d'injection de charges (qui doit être placée là où elle peut être contactée par des photons incidents) étant adjacente a une élec- trode auxiliaire qui, lorsque le dispositif est éclairé et polarisé électriquement de façon appropriée, provoquera l'injection de charges dans la cruche diél#ctrique pour modifier l'état électrique de la couche diélectrique et agir sur le courant de canal circulant dans le corps semi-conducteur. La matière photosensible d'injection de charges peut être par exemple, un colorant optiquement actif comme la phtalocyanine, le pinacyanol, la cryptocyanine, le violet cristallisé, le bleu de méthylène, la phénosafranine ou le nitrosobenzène.Il faut, cependant, se rendre compte du fait que l'on prévoit qu'une gamme de matières (qui peuvent ou non être déjà disponibles pour d'autres applications) conviendront pour être utilisées en association avec la couche diélectrique comme matières photosensibles d'injection de charges dans un dispositif selon l'invention. Les colorants précités ne constituent que des exemples non limitatifs. Le corps semi-conducteur est, de façon appropriée, du silicium de type N ou P, et le courant de canal peut passer, dans une région du corps adjacente à sa surface, d'une zone dopée d'un premier type de conductibilité (par exemple, la source) à une autre zone dopée de ce type de conductibilité (par exemple, la plaque), en traversant le corps de type de conductibilité opposé. La première électrode et la seconde électrode peuvent réaliser des contacts de faible résistance avec les zones dopées (la source et la plaque), zones produisant une joncteur P-N (et N-P) dans le trajet du courant entre ces électrodes.Là où ces jonctions rencontrent la surface, elles sont recouvertes par la couche diélectrique (par exemple, une couche d'oxyde ou d'oxyde et de nitrure) qui peut, à son tour, être recouverte par la couche photosensible d'injection de charges qui est contactée par l'électrode auxiliaire ou les électrodes auxiliaires (par exemple, en forme de grille conductrice). La matière photosensible d'injection de charge sera excitée en fonction de la fréquence, le rayonnement de la longueur d'onde appropriée engendrant des porteurs dans la matière (c'est-d-dire, lui procurant une conductibilité électrique accrue) et, sous l'influence d'undiamp électrique positif ou négatif approprié engendré par l'électrode ou les électrodes -auxiliaires, provoquant l'injection de porteurs (éventuellement par l'influence de l'effet photo- voltatquesur le potentiel de l'électrode auxiliaire) #qui modifie le champ électrique dans la couche diélectrique et influence ainsi le courant de canal circulant dans le corps semi-conducteur.De façon appropriée, la couche diélectrique, intercalée entre la couche photosensible d'injection de charges et le corps du semi-conducteur, peut avoir jusqu'à 10 microns d'épaisseur (par exemple son épaisseur peut être comprise entre 0,01 et 10 microns) et, typiquement, son épaisseur est comprise entre 0,025 et 2 microns. Les deux jonctions qui, dans un mode d'exécution, constituent les régions de source et de plaque, définissent le trajet du courant de canal et elles peuvent typiquement être séparées par 1 à 10 microns (bien que des trajets de courant de canal pouvant aller jusqu'à 100 microns et au-delà ne soient pas exclus). On peut réaliser les connexions électriques avec la première électrode et la seconde électrode en n'importe quel emplacement approprié. La Figure unique du dessin annexé, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, le dispositif selon l'invention utilisant une structure à effet de champ. -# Sur la figure unique schématique, la référence 1 désigne un corps de matière semi-conductrice et la référence 2 désigne des zones dopées par des impuretés de type opposé (source ou plaque, selon la polarité à celui de l'impureté de dopage du corps 1. La référence 3 désigne une couche mince d'une ou plusieurs matières diélectriques, et la référence 4 désigne des régions de diélectrique qui peuvent être plus épaisses que néces- saire.Une couche photosensible d'injection de charges est désignée par la référence 5, et elle est en contact électrique avec une grille 6 de matière électriquement conductrice à laquelle est fixée une électrode auxiliaire 10. Les régions 7 présentent des zones de contact avec la source et la plaque, par l'intermédiaire desquelles des électrodes extérieures 8 et 9 sont contactéeq. Au cours du fonctionnement du dispositif repue' senté, le courant de canal est à des niveaux de fuite, en raison d'une jonction P-N (öu N-P) à polarisation inverse entre 1 et 2. L'éclairement de la couche 5 à la fréquence correcte provoque l'injection d'électrons ou de trous dans la couche diélectrique mince 3. Dans la structure simple représentée, les porteurs seront piégés dans le diélectrique et "inverseront" le canal, le rendant conducteur (c'est-à-dire le feront passer dans l'état de conduction si suffisamment de charges sont injectées). Cette opération peut être considérée comme un "enrichissement". Bien que l'explication ci-dessus se rapporte à l'"injection" de charges, on notera qu'en pratique le changement d'état électrique du diélectrique dépendra aussi (dans une mesure plus ou moins grande) de l'aspect concomittant d'une différence de potentiel produite par des photons à travers l'interface entre la matière photosensible d'injection de charges et la couche diélectrique. Si l'on éclaire alors la couche 5 par une lumière de longueur d'onde différente de façon à injecter des porteurs de signe opposé dans la couche diélectrique 3, la charge injectée précédemment sera neutralisée et le dispositif reviendra dans son état non-conducteur. Cette opération peut être considérée comme un "appauvrissement". Dans d'autres modes d'exécution du dispositif selon l'invention, une électrode semi-conductrice (typiquement en silicium) isolée peut être incorporée dans la ou les couches diélectriques (structure FAMOS) ou bien le diélectrique peut comprendre une couche de nitrure sur un oxyde (structure MNOS). Dans le premier cas, là charge injectée sera emmagasinée principalement sur l'électrode semi-conductrice n flottante" ou près de celle-ci ; dans le second cas, elle serait emmagasinée principalement à l'interface oxyde-nitrure ou près de celle-ci. I1 y a d'autres procédés d'amplification de l'effet de la charge induite, par exemple une dispersion de petites particules métalliques (typiquement de 20 à 50 angströms) dans la ou les couches diélectriques. L'invention embrasse toutes les structures de ce genre. On peut fabriquer les dispositifs selon l'inven- tion par n'importe lequel des procédés bien connus de la technologie M. I. S (semi-conducteur métal-isolant) ou M. O. S (semi-conducteur métal-oxyde), y compris le type de procédé du type à grille de silicium, couramment utilisé dans la fabrication de dispositifs FAMOS. La seule caractéristique spéciale serait le dépit de la couche de matière photosensible d'injection de charges. On peut le faire par toute une variété de techniques, selon les propriétés chimiques et physiques d~ la couche photosensible d'injection de charges et du stade de fabrication auquel on dépose cette couche.On peut citer, à titre d'exemple, la centrifugation d'une solution concentrée d'un ou plusieurs colorants dans un solvant volatil (comme dans le dépôt de pellicules photo-résistantes) ; la sédimentation du ou des colorants à partir dlune suspension coiloldaie dfflss un solvant volatil la pulvérisation par bombardement ionique en courant continu ou alternatif ; I'vaporation dans le vide, la slblìmation ou le dépôt A partir d'une solution La couche photosensible d'injection de charges peut comprendre une dispersion de matière organique dans une matrice appropriée. La matrice doit être chimiquement compatible avec le procédé de fabrication.Il y a de nombreuses matières ou combinaisons de matières dont peut être constituée la matrice ; par exemple, ce pourrait être un gel ou un polymère organique, ou bien une matière plastique comme "Perspex", mais il y a bien d'autres possibilités et l'exemple ci-dessus n'est pas limitatif. On peut modifier les propriétés électriques de la matrice selon les nécessités, par exemple par l'addition de particules métalliques. On doit normalement utiliser des procédés normalisés de masquage. Si nécessaire on pourrait enclore le dispositif complet (ou un réseau de dispositifs) dans une enveloppe hermétique ou étanche, avec une fenêtre optique au-dessus de la zone optiquement active, ou bien on pourrait l'encapsuler dans un milieu transparent. On a décrit l'invention dans le contexte d'un dispositif basé sur la technologie du silicium, dans lequel la couche diélectrique est typiquement composée de silice ou de nitrure de silicium, ou d'une combinaison des deux. L'invention peut aussi cependant s'appliquer à n importe quel dispositif à semi-conducteurs à effet de champ dans lequel la conductance peut être modulée par des charges emmagasinées dans la couche diélectrique. Le diélectrique peut être constitué par n'importe quelles matières isolantes appropriées. Pour fixer les idées, on a décrit l'application à un commutateur ou interrupteur bistable à semi-conducteurs dans lequel la conductance de canal du dispositif représenté passe d'un état non-conducteur à un état conducteur, ou inversement, sous l'effet d'une variation commandée de la charge emmagasinée dans ou sur le aiélectrique par injection directe de charges, à laquelle contribue facultativement un effet photo-voltaique. L'invention s'applique aussi cependant A des dispositifs dans lesquels on désire une modulation de conductance progressive ou continue. Un dispositif selon l'invention présente les avantages suivants a) Par une variation réglée de l'intensité d'éclairement, on peut faire passer l'état électrique d'un dispositif de l'état conducteur A l'état non-conducteur (par exemple, comme dans un commutateur bistable), ou bien on peut l'ajuster-de façon à modifier de façon continue la conductance d'un dispositif. b) Contrairement aux dispositifs MOS ou MIS existants, on peut inverser le processus d'injection de charges dans des dispositifs selon l'invention par une excitation de la meme forme. c) On peut obtenir l'injection de charges et la modulation de conductance qui en résulte sans percement par avalanche d'une jonction P-N. d) On peut rendre la réponse de la couche photosensible d'injection de charges extrêmement sensible à la longueur d'onde de la lumière e) En introduisant des impuretés appropriées, on peut modifier les propriétés de la couche diélectrique 3 de façon qu'elles soient adaptées à la réponse de photosensibilité d'une matière photosensible particulière d'injection de charges. Avec une combinaison appropriée de matière diélectrique et de matière photosensible d'injection de charges sensible à plusieurs longueurs d'onde-de sorte que des électrons sont injectés à certaines longueurs d'onde et des trous à d'autres longueurs d'onde (avec ou sans assistance d'un effet photo-voltaTque)#, on peut adapter les excitations optiques de déclenchement de façon qu'elles soient adaptées à des applications particulières. f) Avec des matières photosensibles d'injection de charges qui sont appropriées, on peut produire des dispositifs à stimulation photonique selon l'invention fonctionnant dans les parties du spectre correspondant à l'infrarouge et/ou au visible et/ou A l'ultraviolet. Un dispositif dont l'activité se situe dans l'infrarouge serait sensible au rayonnement thermique. On ne comprend pas bien la physique des processus d'injection de porteurs de la couche photosensible 5 dans la couche diélectrique 3. Cependant, il est presque certain qu'elle met en jeu l'adaptation de niveaux d'én#rgie électroniques dans le di#lectrique & des états électroniques excités dans la matière photosensible d'injection de charges. Les origines de l'effet photo-volta#que aux interfaces ne sont pas, non plus, parfaitement comprises théoriquement, mais elles sont bien# connues expérimentalement. On peutconcevoir des ensembles ou sous-ensembles perfectionnes utilisant les propriétés particulières de dispositifs selon l'invention, et ces ensembles ou sous-ensembles représentent d'autres aspects de l'invention. 1) On peut réaliser un ensemble de mémoire s'appuyant sur le principe que l'on peut rendre la modulation optique sélective pour des dispositifs individuels d'un réseau. On peut produire le dispositif à transistors représenté à forte densité sur une plaquette de semi-conducteur pour réaliser, par exemple, une mémoire dans laquelle on effectue "l'écriture" au moyen d'une source lumineuse ponctuelle mise au point sur un dispositif particulier. Un agencement approprié met en jeu le balayage de la matrice de dispositifs en fonction du temps. On peut effectuer la "lecture" ou la détection de l'état du dispositif, c1est-à-dire la conductance de canal -haute ou basse (conducteur ou non-conducteur) en polarisant ou en multiplexant tous les dispositifs en parallèle. Le dispositif adressé est fonction de la coordonnée de balayage. On peut réaliser l'excitation optique par des faisceaux laser. On dispose à présent de procédés de balayage par des faisceaux laser et celA procure des compacités d'enregistrement des informations extrémement élevées. 2) On peut augmenter la densité d'information mémorisée dans un ensemble de mémoire (tel qu'esquissé en 1) ci-dessus) en appliquant une autre propriété que peut présenter un dispositif selon l'invention, à savoir que la conductance de canal est une fonction continue de la grandeur de la charge emmagasinée et de sa répartition dans la couche diélectrique. Celd permet de réaliser un ensemble de mémoire dans lequel le faisceau optique utilisé pour "écrire" est non seulement codé pour éclairer ou ne pas éclairer une case de mémoire A transistor, mais également codé en ce qui concerne l'intensité de l'éclairement inciden#t. La"Jecture" -du contenu d'une case adressée implique de décoder l'intensité du courant de canal circulant, et non simplement une comparaison avec une valeur de seuil fixe. 3) On pourrait utiliser des transistors photosensibles selon Iiinvention dans un ensemble de mémoire dans lequel un faisceau, utilisé pour explorer un réseau des transistors photo-sensibles, contient des informations en rapport avec la fréquence ou la couleur de la source lumineuse (propriété d),ci-dessus). On réaliserait le décodage par détection de la valeur de la conductance de canal et caractérisation spectrale du transistor. On pourrait également appliquer cette technique A la réalisation d'une caméra-couleur. La lumière incidente provenant d'un objectif pourrait être envoyée, par l'intermédiaire d'un ensemble de balayage approprié, dans des cases à transistor individuelles selon 1'invention. La réponse de la couche photosensible d'injection de charges au faisceau incident pour produire l'injection dans la couche diélectrique modifierait la conductance du canal, la valeur de la conductance pour n'importe quelle case à transistor donnée étant une mesure directe de la fréquence de la lumière tombant sur cette case. 4) On peut réaliser un ensemble utilisé pour la reconnaissance des images optiques (R.1.O,) au moyen de dispositifs selon l'invention. Les propriétés b) et e) ci-dessus permettent au processus de reconnaissance d'être sensible à la couleur. Un ensemble approprié pourrait utiliser un faisceau de fibres (un câble à fibres optiques à grand nombre de toronsj qui focalise la lumière incidente sur un réseau de dispositifs photo-sensibles à semi-conducteurs selon l'invention. il serait préférable de décoder enparallèle tous les dispositifs du réseau avant de pouvoir utiliser la configuration de la lumière incidente pour lire une écriture dactylographiée ou des dessins par exemple, et distinguer entre les différentes formes et couleurs et combinaisons de celles-ci. 5) On pourrait utiliser un réseau de dispositifs selon l'invention comme capteur dans un ensemble de transmission des informations à fibres optiques. L'extrémité de réception de la liaison de transmission pourrait utiliser un câble à fibres focalisant le signal sur les dispositifs photosensibles. La réponse du capteur, traduite par la variation de conductance de chaque dispositif individuel, est fonction des propriétés optiques de la matière photosensible d'injection de charges de ce dispositif. Par co=:#séquent, il est à prévoir que l'invention peut être utilisée dans des ensembles de t e:nces variables, la réponse du capteur résultant du choix de la ou des matières photosensibles d'inj#ction de charges et de la conception du dispositif photosensible. 6) On pourrait fabriquer des dispositifs selon l'invention et les utiliser dans des ensembles comprenant des dispositifs à effet de champ de technologie semblable, Ils pourraient être sur un substrat semi-conducteur commun ou des jonctions différentielles. CelA assure le couplage direct entre des systèmes optiques et les systèmes électroniques. Un exemple utile impliquerait un dispositif photosensible à semi-conducteurs selon l'invention utilisé comme premier étage d'un dispositif à couplage de charges électriques (CCD). CelA permettrait une entrée optique dans un registre à décalage électronique, par exemple. Selon l'intensité du faisceau incident, la surface du semi-conducteur peut "s'inverser", fournissant une source de porteurs minoritaires qui sont injectés dans le "puits de potentiel" d'un étage CCD adjacent. Une telle interaction pourrait avoir lieu avec d'autres structures à semi-conducteurs, où un signal optique est l'entrée d'un système électronique. On peut coupler les dispositifs selon l'invention en série et/ou en parallèle pour réaliser une opération logique simple à l'entrée du système électronique. 7) On peut utiliser un réseau de dispositifs selon l'invention pour mesurer avec précision la position d'un faisceau incident. On peut aussi mesurer de cette façon la divergence ou la convergence du faisceau, et/ou sa distribution d'intensité. REVENDICATIONS 1.- Dispositif à semi-conducteurs comprenant un corps semi-conducteur, une première électrode et une seconde électrode dans ou sur ledit corps entre lesquels peut circuler un courant de canal dans une région du corps adjacent à l'une de ses surfaces, une couche dielectrique sur une partie au moins de ladite surface, une matière photosensible sur ladite couche diélectrique et une électrode auxiliaire adjacente à la matière photosensible, caractérisé en ce que la matière photosensible est choisie de façon à provoquer l'injection des charges dans la couche diélectrique lorsqu'elle est éclairée et la polarisation électrique du dispositif, ce qui modifie l'état électrique de la couche diélectrique et agit sur le courant de canal circulant dans le corps semi-conducteur. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière photosensible est choisie pour engendrer un potentiel sur l'électrode auxiliaire, ayant pour rôle d'injecter des porteurs dans la couche diélectrique, ledit potentiel provenant de l'effet photo-volta#que. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière photosensible d'injection de chargesest une substance choisie parmi les phtalocyanine, pinacyanol, cryptocyanine, violet cristallisé, bleu de méthylène, phénosafranine et nitrosobenzène. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière photosensible d'injection de charges constitue, sur la couche diélectrique, une couche d'épaisseur comprise entre 0,025 et 2 microns. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière photosensible d'injection de charges comprend au moins un agent photosensible incorporé dans une matrice inerte choisie parmi des matières plastiques ou polymères.